小型机载云台跟踪控制装置

1.一种小型机载云台跟踪控制装置，包括壳体、安装在壳体内的线路板和外部接口， 其特征在于电路结构为：有一个主控单片机(11)与一个辅助单片机(12)采用高速串 行口SPI相连，该两单片机(11、12)的四个串口经过RS-232电平转换芯片后，一 个连接到一个电子罗盘(13)，另外三个作为外部串行通讯接口，分别与一个图像 处理模块(6)、一个无线遥控通讯模块(7)和一个机载云台(3)相连；还有一个角速 度传感器(8)由三个电路结构均相同的单轴速度陀螺构成，其输出信号依次经 过一个高通滤波器(9)和一个低通滤波兼信号放大器(10)接入所述的主控单片机 (11)；
所述的图像处理模块(6)将摄像头摄取的目标图像处理后通过串口送到所述的辅 助单片机(12)；
所述的辅助单片机(12)为主控单片机(11)扩展串口和辅助处理，输入目标图像信号 经其辅助处理后送到主控单片机(11)；
所述的电子罗盘(13)将飞行器(1)三个姿态角数据提供给主控单片机(11)；
所述的角速度传感器(8)感受飞行器的三个角速度，依次经高通滤波、低通滤波和 信号放大后由主控单片机A/D采样处理；
所述的主控单片机(11)融合跟踪目标、飞行器(1)的姿态角或角速度，计算出机载 云台(3)各方向上的移动角度或速度，并经过串口将控制命令发送给云台，从而完 成一次周期控制；
所述的无线遥控通讯模块(7)在系统工作期间，保持系统与地面控制站的通讯，在 向地面发送实时的跟踪数据的同时，亦接受地面发来的遥控指令。
2.根据权利要求1所述的小型机载云台跟踪控制装置，其特征在于所述的单轴速度 陀螺采用ENC-03M型压电速度陀螺传感器。
3.根据权利要求1所述的小型机载云台跟踪控制装置，其特征在于所述的RS-232 电平转换芯片采用两个MAX232电平转换芯片。
4.根据权利要求1所述的小型机载云台跟踪控制装置，其特征在于所述的电子罗盘 (13)采用EZ-COMPASS-3型电子罗盘模块。
5.根据权利要求1所述的小型机载云台跟踪控制装置，其特征在于所述的高通滤波 器(9)由三个电容和三个电阻构成。
6.根据权利要求1所述的小型机载云台跟踪控制装置，其特征在于所述的低通滤波 兼信号放大器(10)由三个运放和三个电容、六个电阻构成。
7.根据权利要求1所述的小型机载云台跟踪控制装置，其特征在于所述的主控单片 机(11)采用C8051F021型单片机。
8.根据权利要求1所述的小型机载云台跟踪控制装置，其特征在于所述的辅助单片 机(12)采用ATmega162型单片机。

技术领域\n本发明涉及一种小型机载云台跟踪控制装置，特别是涉及一种机载的小型的、多 传感器、多串口的云台跟踪控制装置。\n背景技术\n微型无人飞行器携带摄像头可用于地面区域监控或移动目标跟踪，这就要求能准 确地按照系统需要控制摄像头视线，以获得被监控区域或被跟踪目标的图像，然而飞 行器的机身振动和机体姿态难于做到精确控制，将摄像头直接固定在机体上是不可行 的，这就需要一个具有两个或三个自由度云台来搭载摄像头，通过云台的准确控制来 实现摄像头视线在一定范围内的调整，并稳定摄像头，保证摄像头视线能获得被监控 区域或被跟踪目标的稳定图像，从而达到区域监控或目标跟踪的目的。\n云台跟踪控制装置对于上述的应用系统是不可缺少的，针对应用于微型无人飞行 器有负载能力小、外部环境干扰大、周边设备常采用串口通信等特点，要求云台跟控 制装置小型化，传感器响应快且准确，串口足够多，较强的运算处理能力，以适应系 统应用需要。现有的一些控制装置由于要么无相应的传感器、要么没有足够的串口， 很难满足这些要求。\n发明内容\n鉴于以上所述应用的问题和技术要求，本发明的目的在于提供一种机载云台跟踪 控制装置，它不仅体积小、重量轻、传感器响应快且信息可靠，而且具有四个串口供 系统使用，对微型飞行器环境具有较好的适应性。\n本发明的构思是：装置采用数字集成电路，双面电路板，选用一款高性能的具有 双串口的单片机作为主控芯片的同时，另采用一双串口的廉价的单片机作为串口扩展 和辅助处理，在扩展串口的同时，为主控芯片减轻负担，两机间使用两者皆带有的高 速的同步串行口(SPI)通信；传感器采用角速度传感器，其中角速度传感器由三个 单轴速率陀螺构成，输出信号通过滤波放大电路后由主控芯片A/D采样处理，可以达 到很高的响应频率，电子罗盘通过串口向主控芯片提供飞行器的三个姿态角，它响应 慢，但比较准确，所以它主要为由角速率陀螺得到的速率信息进行补偿和修正，以获 得准确而可靠的飞行器态信息；装置另三个串口作为外部串行通讯接口分别用于与机 载云台、图像处理模块和无线遥控通讯模块的通信。\n根据上述构思，本发明采用如下技术方案：\n一种小型机载云台跟踪控制装置，包括壳体、安装在壳体内的线路板和外部接口， 其特征在于电路结构为：有一个主控单片机与一个辅助单片机采用高速同步串口SPI 相连，该两单片机的4个串口经过RS-232电平转换芯片后，一个连接到一个电子罗 盘，另外三个作为外部串行通讯接口，分别与一个图像处理模块、一个无线遥控通讯 模块和一个机载云台相连；还有一个角速度传感器由三个电路结构均相同的单轴速度 陀螺构成，其输出信号依次经过高通滤波器、低通滤波兼信号放大器接入所述的主控 单片机；所述的图像处理模块将摄像头摄取的目标图像处理结果通过串口送到辅助单 片机；所述的辅助单片机为主控单片机扩展串口和辅助处理，输入的目标图像信号经 其处理后送到主控单片机；所述的电子罗盘将飞行器三个姿态角数据提供给主控单片 机；所述的角速度传感器感受飞行器的三个角速度，依次经过高通滤波、低通滤波和 信号放大后由主控单片机A/D采样处理；所述的主控单片机融合跟踪目标图像信息、 飞行器的姿态角和角速度信息，计算出机载云台各个方向上的移动角度或速度，并经 过串口将控制命令发送给云台，从而完成一次周期控制；所述的无线遥控通讯模块在 系统工作期间，保持系统与地面控制站的通信，在向地面发送实时的跟踪数据的同时， 亦接受地面发来的遥控指令，从而实现地面操作人员对机载跟踪系统的远程操作和人 工干预。\n上述的单轴速率陀螺采用ENC-03M型压电速率陀螺传感器。\n上述的RS-232电平转换芯片采用两个MAX232电平转换芯片。\n上述的电子罗盘采用EZ-COMPASS-3型电子罗盘模块。\n上述的高通滤波器由三个电容和三个电阻构成。\n上述的低通滤波兼信号放大器由三个运放和三个电容、六个电阻构成。\n上述的主控单片机采用C8051F021型单片机。\n上述的辅助单片机采用ATmega162型单片机。\n本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本 发明采用主控单片机与辅助单片机相连，具有四个串口供系统使用，对微型飞行器环 境具有较好的适应性。本发明提供的装置体积小、重量轻、传感器响应快且信息可靠， 保证摄像头对地面目标的跟踪。\n附图说明\n图1是本发明的一个实施例的应用环境图。\n图2是图1示例的电路框图。\n图3是图1示例的电路原理图。\n具体实施方式\n本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：\n参见图1，本小型机载云台跟踪控制装置2应用于微型无人飞行器1携带摄像头 对地面移动目标4进行跟踪。本装置2、机载云台3、图像处理模块6和无线遥控通 讯模块7均装载在微型无人飞行器1上。机载云台3可两自由度运动，它集成电机驱 动，并带有摄像头和RS-232控制接口。其中，5为地面控制站。本装置2的作用就 是采集处理飞行器的姿态角和角速度信息，然后融合图像处理模块6传来的跟踪目标 图像信息，经过一定的跟踪控制算法，计算出机载云台两个方向上的移动角度或速度， 并经过串口将控制命令发送给云台，从而实现对机载云台3的控制；通过云台两个方 向上的角度或速度控制来稳定和调整摄像头视线，从而保证被跟踪目标在摄像头视线 内，并获得被跟踪目标的稳定图像。\n参见图2，虚线框内即为本小型机载云台跟踪控制装置2，其中：角速度传感器 8输出信号进入高通滤波器组9，滤除低频的信号和直流分量后进入低通滤波兼信号 放大器组10，将高频杂音滤除之后输入到主控单片机11，进行A/D采样处理，得到 飞行器的三个角速度；辅助单片机12与主控单片机11通过各自的高速同步串行口 (SPI)相连，主控单片机11的两串口经电平转换后，其中一路与电子罗盘13相连， 另一路作为外部串行通讯接口与机载云台3相连，主控单片机11可从电子罗盘13获 得飞行器的三个姿态角数据；辅助单片机12的两串口经电平转换后均作为外部串行 通讯接口，一路与图像处理模块6连接，另一路与无线遥控通讯模块7连接，辅助单 片机12其将从图像处理模块6获得的图像处理结果传送给主控单片机11；这样，主 控单片机11融合跟踪目标图像信息、飞行器的姿态角和角速度信息，经过一定的跟 踪控制算法，计算出云台两个方向上的移动角度或速度，并经过串口将控制命令发送 给云台，从而实现对机载云台3的控制；同时，通过无线遥控通讯模块与地面控制站 5通信，在向地面发送实时的跟踪数据的同时，亦接受地面发来的遥控指令，从而实 现地面操作人员对机载跟踪系统的远程操作和人工干预。\n本实施例的具体电路参见图3，首先通过外部接口14的电源接口接入+5V电压， 经过3.3V稳压源15得到3.3V电压、经过2.5V电压基准16得到2.5V电压。角速度 传感器8由三个ENC-03M单轴速度陀螺U1、U2、U3构成，其模拟量输出分别输到 高通滤波器组9，即以电容C1和电阻R1构成的高通滤波器，以电容C4和电阻R4 构成的高通滤波器，以电容C7和电阻R7构成的高通滤波器；然后再分别经过低通 滤波器兼信号放大器组10，即以A1、R2、R3、C3构成的低通滤波兼信号放大器， 以A2、R5、R6、C6构成的低通滤波兼信号放大器，以A3、R8、R9、C9构成的低 通滤波兼信号放大器；这样低通滤波和电压放大后的信号PITCH、ROLL、YAW才 分别输入到主控单片机11的模数转换口ADC0的通道0～2进行A/D采样并处理。 主控单片机11和辅助单片机12通过高速同步串行口(SPI)19相连，两机可根据程 序需要切换SPI通信模式(主机或从机)，JTAG调试口18、20分别对主控单片机11 和辅助单片机12进行程序调试及代码下载用。主控单片机11的串口1(P0.0和P0.1) 经过MAX232电平转换芯片21后接到电子罗盘7，串口2(P0.6和P0.7)经过MAX232 电平转换芯片21后作为外部接口14中的RS-232串口(TX1和RX1)，用于与机载 云台3相连；辅助单片机16的串口1(TXD0和RXD0)和串口2(TXD1和RXD1) 经过MAX232电平转换17在作为外部接口14的中的RS-232串口(TX2和RX2)和 RS-232串口(TX3和RX3)，分别用于与图像处理模块6和无线遥控通讯模块7相连。