北京科技大学硕士学位研究生选题报告及文献综述论文题目：新型远程遥控云台控制器的研制与改进指导教师：李杰单位：北京科技大学学号： s2*******作者：孙宇舟专业名称：物理电子学入学时间： 2008年9月2009年6月20 日目录1文献综述 (3)1.1国内外概况 (3)1.2确定新型远程遥控云台控制器的研究 (5)2课题来源和选题意义 (6)2.1课题来源 (6)2.2课题目的 (6)2.3选题意义 (6)3课题内容和时间安排 (8)3.1课题内容 (8)3.2时间安排 (9)参考文献 (10)1文献综述1.1国内外概况云台广泛应用于监控领域，作为安装、固定摄像机的支撑设备。

云台实际上是一个转台系统，由两个电机组成的安装平台，可以带动支座做水平和垂直运动，在远程可以控制其转动方向和位置。

当接到动作电压时，电机转动，经减速箱带动垂直传动轮盘转动[1]。

云台种类较多，按照可以运动功能分为水平云台和全方位（全向）云台。

按照工作电压分为交流定速云台和直流高变速云台。

按照承载重量分为轻载、中载和重载云台。

按照负载安装方式分为顶装云台和侧装云台[2]。

不同特点的云台适用范围不同，而本课题研究方向倾向于高精度位置定位的重载云台控制系统的实现，希望在低成本的情况下实现高精度定位。

目前国际上转台系统的设计和生产已经产业化，且产品均系列化标准化。

美国在飞行仿真转台系统的研制方面处上世界领先地位，其CGC和Carco公司生产的转台代表了当今世界转台研制的最高水平。

德国、英国和法国转台的发展深受美国影响，其中德国MBB公司研制的转台系统的性能仅次于美国，具有一定代表性，法国Belfert公司和瑞士Acutroni。

公司生产的转台近年来正逐步打入我国市场[3-5]。

我国转台的研制起步于1965年，较美国晚二十余年，但发展速度很快，与国外的差距逐渐缩小。

航空工业总公司303所、船总6354所、航天工业总公司102所、502所和803所、哈工大和北航和南航等单位研制了一批转台，在很大程度上满足了国防科研的需要，转台总体性能较国外的差距渐渐缩小[6]。

国内相关单位对高精度转台伺服研究主要集中在以下三个方面，第一是对用于惯导测试和运动仿真的转台研究，用于此目的伺服转台的技术指标高，如中国航空精密机械研究所研制的单轴，双轴，三轴惯导测试和运动仿真设备的伺服转台系统，它们典型的技术指标为角度精度是士2"~士30"，其中TDC¬¬—2型陀螺动态参数测试系统的转台精度在士2"，STS—Z10P型单自由度目标视线运动仿真器，定位精度是士30"，另外如中国航天科技集团公司第一计量测试研究所研制的DSw—01单轴速率位置转台的性能指标，位置分辨率为0.005°，中国船舶工业六三五四研究所的ST—160，sT—380型单轴位置转台可达士5" 。

第二是对数控机床的伺服转台的研制，如重庆机床厂的TKGB1325D数控转台的定位精度为4.48角秒，北京丹青华瑞科贸有限公司的单轴立式转台DP系统精度为土3弧秒，精密级转台AP系统可达士1弧秒。

第三是对雷达伺服转台的研究，如航天机电集团二院203所研制的计算机控制的转台装置，可用于电磁兼容性测量、天线方向图测量等方面，它的性能指标是为角精度士1°；转角分辨率0.1°。

2000年东南大学科技成果《EMC自动测试用转台和天线塔》所提到的转台位置指标是1°，北京友信科技集团的uRT —L—01雷达仿真转台系统的位置精度为20´[7-9]。

上述定位仪器一般采用感应同步器作为采集模块，设计为高端应用，例如供"神舟"工程的产品。

控制方法是转台控制系统的核心，是影响转台控制系统性能的关键因素。

近年来，针对伺服系统控制问题的各种新的方法不断涌现，经典的控制方法其使用的前提是必须通过一定手段，测得被控对象的数学模型，而且，控制的精度直接与所得到的数学模型的准确度有关。

事实上，由于转台系统存在机械摩擦、轴系间力矩祸合、电网波动以及环境干扰等许多非线性和不确定性因素，而且要求转台可在不同的场合下使用，系统的精确数学模型是无法得到的，因此，经典控制是建立在近似的、不准确的数学模型基础上的，一个控制算法只适合于一个特定的对象，不具备通用性[10]。

无需依赖数学模型进行控制，是控制理论最新的发展方向，代表了控制的发展趋势，例如神经网络方法、自适应方法或者模糊控制方法。

一般说来具有非线性的控制特征，不过无论选择何种控制方法其最终目的都是一致的，那就是满足转台控制系统高精度、高频响和宽调速的要求。

常见的智能控制方法包括模糊逻辑控制和神经网络控制。

和传统的控制方法相比，模糊控制的优点主要表现在[11-15]：(1)模糊控制无需对被控对象进行精确的数学建模，而是根据经验规则直接建立控制模型；(2)系统知识库是基于对控制对象的定性认识和经验规则来建立的，而控制是直接通过语法规则进行模糊推理来进行的；(3)模糊推理系统是非线性的系统，具有很强的鲁棒性，尤其适应于非线性和非确定性系统。

1.2确定新型远程遥控云台控制器的研究市场上低端应用转台一般利用模拟式的换向机械碰撞开关或接近开关被动变换转动方向，成本低廉。

一般采用步进电机，可以实现间歇停顿、频繁变换正转、反转、定位等动作，但在低速时，容易引起电机的抖动。

典型的50齿四相步进电机的的步距角为1.8度，电机转子在这个范围内具有不确定性[16-20]，而这个范围相对于要求的高精度显得太大，精度不可能有效的提高，其应用领域受到限制。

而本论文中采用的数字化的控制系统，采用新型数字式磁敏传感器和直流伺服电机，设计和生产成本较低，而且校正后效果优良，能实时采集数据的同时进行精确定位，更能广泛地有效地市场化应用。

2课题来源和选题意义2.1课题来源本课题目前作为国家大学生创新性实验计划项目之一。

课题最初是北京科技大学本科生科技创新基金项目。

项目完成后，项目组成员继续开发并应用在机场无线遥控驱鸟炮上，项目采用低功耗单片机AT89lV52作为核心部件，实现角度信号的采集及显示，接受遥控器控制指令，完成电机的控制及炮管的点火。

采用24V/5V的OMRON电磁继电器分别实现对电机上下左右四个方向的控制和八路炮管的点火。

继电器的驱动采用七达林顿驱动器MC1413P。

电机采用直流电机，体积小、功率大、速度高，而且，转速可以在很大的范围内随电压的改变而变化，控制性良好，因此适用于速度可变云台和预置停止位置云台。

课题前期工作如下：一个遥控器可分别控制3个云台样机,做水平360度，俯仰0~90度连续旋转，在云台转动的同时，遥控器液晶模块可同时显示云台的水平及俯仰角度值。

遥控距离目前可达到200m左右，云台可遥控，也可手动控制。

2.2课题目的通过对新型远程遥控云台控制器的研制与改进，使角度传感器的最终测量分辨率优于0.1度，定位精度由于0.2度，遥控范围为1500m左右。

同时保证云台有良好的测量重复性和可靠性求。

最后进行改进，测试各种传感器及其他组件，使产品成本最小化。

力求产品人性化，使工人方便操作；产品性能稳定化，能使云台能够适应各种环境的要求；产品操作简单化，使工人在较短的时间内掌握使用方法，轻松使用。

2.3选题意义作为一种承载监测或显示仪器并带动其转动的常用部件, 云台上可以安装各种显示器、照相机、摄像机、监测仪器、瞄准定位仪器、发射装置、激光光源等，并且带动它们产生平面与俯仰转动, 可以使观测者得到动态观测图像[21]。

广泛的应用于扫描、摄影、摄像，监测，二维转动控制，自动监控，图像跟踪识别，军事工业等专业应用领域，以及智能大楼、交通路口、金融机构、监狱等监控系统领域。

传感器是位置闭环控制系统的核心，没有高精度的数据采集仪器，不可能有真正高精度的定位。

传统的模拟输出传感器不方便加入校正环节，所以对于高端的转台伺服系统一般采用高精度的感应同步器，而且系统设计成本高昂，无法适应广泛的低端市场的需要，因此研制高精度低成本的云台系统具有重要的应用价值和实际意义[22-25]。

因此采用新型的数字输出式磁敏绝对角位置传感器来组成控制系统的采集模块，并用DSP进行校正以及运动控制，由于采用了磁敏传感器，成本相对低廉而校正后采集效果良好。

和模拟输出相比，数字式输出传感器可以通过数字化的程序校正来有效提高其精确度[26-28]，采用的数字化的控制系统，采用新型数字式磁敏传感器和直流伺服电机，设计和生产成本较低，能实时采集数据的同时进行精确定位，更能广泛地有效地市场化应用[29]。

希望我们的参与和研究可以充实重载高精度定位云台的市场，增加国内用户的选择余地，为行业的发展作出贡献。

3课题内容和时间安排3.1课题内容到现在为止，已用开发板进行了角度传感器的数据测量、修正过程，并用pwm波进行定位测试，效果良好，但是整个系统的开发还不完善，液晶显示器、键盘输入程序还没有完善，接下来的工作是在开发板的基础上将控制程序整合完成，并对控制盒进一步的测试及修正，制作出最终的样机。

主要工作包括：1)自学DSP的结构，掌握其寄存器结构及配置方法，学习DSP启动模式以及DSP-BIOS操作系统[30]的使用方法，熟练使用CCS对其编程。

2)完成DSP的最小系统，通过设置其cmd配置文件优化存储配置，使其能够完成自启动。

3)对远程模块、显示模块和电源部分进行选型，整合到本系统中。

4)打印制作PCB板，给仪器箱打孔、定位、安装，进行系统化的功能测试以及电磁兼容性（EMC）测试[31]。

5)制成样机，验证在开发板上实现的模糊PID控制程序，整合系统软件结构，实现低成本下的高精度控制。

3.1课题创新点及难点云台是一个转台系统，市场上低端应用一般采用步进电机，无法高精度定位；高端应用采用感应同步器，成本较高。

而我们使用直流电机以及新型磁敏角度传感器，利用DSP进行模糊控制算法进行定位，成本大大降低而定位效果良好。

本课题的研究成果可应用于军事、油田、林场等距离较远、精度较高的摄像跟踪、安全监控等领域。

课题难点在于对主控核芯片DSP的寄存器设置，由于DSP功能强大，引脚及寄存器数量较多[32-33]，而且设置方式较单片机相比更为复杂。

所以工作时会花更多时间在其硬件研究上。

3.2时间安排2009.9——2009.10 确定研发方案，收集各方面资料，完成对各芯片和材料的选择。

练习CCS及DSP-BIOS的使用。

2009.11——2009.12 着手完成软件系统，开发键盘系统及显示系统，实现联接和通信。

2010.1——2010.3 整合模糊PID控制算法，实现数据采集以及定位控制。