基于STM32的消旋控制系统的设计

王晓银 蒋锋

摘 要：为了消除飞行器机体旋转对其上所带相机姿态的耦合影响，实现对目标图像的消旋控制，设计了一款以STM32微控制器为核心的光电稳定伺服控制系统。该系统利用高精度角速度陀螺仪，实时采集机体旋转参数，利用参数自适应模糊PID控制器调节PID参数，通过闭环控制消除机体旋转对相机姿态的耦合影响。实践结果表明，本设计各项参数及指标均符合实际工作需要。

关键词：STM32；伺服控制；陀螺仪；模糊PID

中图分类号：TN914 文献标识码：A

Abstract： In order to eliminate the coupling effect of the aircraft body rotation on the camera attitude of the aircraft，an optoelectronic stabilized servo control system with STM32 is designed.The system used high-precision angular velocity gyroscope，collection the body rotation parameters in real time.Parameter adaptive fuzzy PID control algorithm is adopted to adjust PID parameters.Using closed loop control to eliminate the body rotation coupling effect of camera position.The practical results show that the parameters and indexes of this design are in line with the actual work needs.

Keyword： STM32；servo control；gyroscope；fuzzy PID

光电稳定伺服控制系统是跟踪、侦查、定位、导航等应用领域的关键组成部分，由于光电平台框架在跟踪中的运动，使得稳定的图像叠加了额外的旋转，给后续的CCD图像处理带来影响甚至妨碍，所以对CCD图像旋转的补偿控制技术即CCD图像消旋控制技术成为关键。为保证载体旋转条件下跟踪设备的空间相对稳定和视轴精度指向跟踪目标，提出了消旋控制方案[1]。

设计了隔离机体旋转的消旋平台控制系统。该系统通过测量机体旋转的运动参数，控制消旋平台及相机反向旋转，从而使相机姿态保持稳定。文中对平台的稳定控制理论进行了深入的研究与验证，通过测试该系统的各项参数都能达到工作要求。

1 系统总体结构

由于飞行器测试的成本高昂，实际测试中采用了模拟机体旋转的平台及配套人机交互软件，通过软件预设角速度时间曲线，模拟飞行器在不同飞行阶段的旋转姿态，从而检验消旋控制系统的消旋效果。图1为消旋平台、模拟旋转平台和人机交互软件组成的系统结构图。

设计中上位机通过人机交互软件经RS232串口向模拟平台控制板发布指令，使模拟平台按照预设的或随机的角速度值旋转。模拟平台由直流有刷电机驱动，使整个消旋平台与之同轴旋转。消旋平台中执行消旋的电机为一力矩电机，其转子与 CCD 像机和陀螺仪直接轴连，陀螺仪作为消旋控制系统中的测角速度元件，与CCD相机同轴旋转，检测CCD相机旋转的角速度。消旋平台上的电源、信号线路都经过导电环引出，以避免线体绞扭。

2 消旋控制系统硬件设计方案

消旋控制系统的硬件设计主要包括角速率陀螺仪前端信号采集单元，功率放大單元，力矩电机驱动单元及微控制器单元。其硬件结构框图如图2所示。

角速率陀螺仪检测相机旋转的角速度，其输出两路模拟信号，一路为角速度测量值，一路为其内置的温度传感器的温漂信号（用以修正不同温度下零点电位电压值）。微控制器通过其上的AD转换器采集陀螺仪的两路输出信号，经运算处理后控制力矩电机旋转以抵消模拟旋转平台带来的运动耦合。

1.1 主控制器模块选择

设计中主控制器选用了低功耗，高集成度的STM32F103RBT6芯片，该芯片采用了ARM公司的Cortex-3内核，时钟频率最大可达72 MHz[2-3]。同时还内置有3个12位AD转换器，11个16位定时器，其中2个16位6通道的高级控制定时器可产生多达6路PWM输出，正好满足设计需要。

1.2 角速度传感器的选择

角速度陀螺仪选用国产CS-ARS-06系列，该型陀螺仪体积小、重量轻、精度高，其分辨率低于0.009°/s。在实际使用中控制目标是使相机的旋转速度趋于零，所以选择陀螺仪的量程为±20°/s。陀螺仪信号采集后经过跟随器隔离放大后送至STM32处理器的AD转换接口中。电路如图3所示。

1.3 电机驱动电路的设计

电机驱动采用ST公司生产的L298芯片，该芯片内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，其最高工作电压可达46 V，瞬间峰值电流可达3 A，持续工作电流为2 A。在工作过程中首先将单片机输出的PWM波形通过HEF4093变为两路反相的PWM波（IN1，IN2）接入L298的输入端，然后将L298的两组H桥并联使用，这样可以使电机驱动电流达到3.5 A。电机驱动电路如图4所示。

3 系统的软件设计

3.1 微控制器软件设计

该系统的软件设计主要包括系统初始化，定时器控制PWM输出模块，AD转换模块，PID控制模块等。整个系统的主流程图如图5所示。

3.2 模糊PID控制

3.2.1 PID控制简介

消旋控制系统采用闭环控制，其中直流电机控制选用了PID算法。PID控制器是一种基于误差的控制方法，他根据系统误差，将电机的转速与系统反馈值相比较，利用比例、积分、微分值计算出控制量对系统进行调节，使系统达到稳定。

在PID控制中参数的设定是决定系统控制好坏的关键因素。实际工程中对PID参数的确定一般通过结合前人的经验和实验数据，通过“试凑法”[4]来确定。参数中的Kp用来调节系统的响应速度，而过大的Kp会使系统产生震荡，稳定性变坏。Ki越大系统的稳态误差消除的越快，但又会使系统产生较大的超调。Kd的增大可提高系统的响应速度，加强系统的稳定性但又会使系统的扰动抑制能力减弱[5]。所以在设计过程中对参数的调节往往要花费大量时间，加之三个参数相互制约无法判断系统性能是否达到最优。此外，在工作环境发生变化时，需要根据情况，再次调整参数，大大降低了系统的设计效率。基于此，设计中采用了对PID参数自整定的模糊PID控制器。

3.2.2 模糊PID控制器算法原理

传统PID控制器PID参数固定不变，控制调速的实时性较差，而消旋控制为非线性系统，控制要求高，系统的控制输出需要实时响应。模糊控制器以专家经验和人工控制规则为基础组织模糊决策表[6]，控制量的大小由查询决策表确定，能够根据系统实际情况进行自适应调整，解决了参数固定问题，使系统的自适应能力大大提高。模糊PID控制原理图如图6所示。

3.2.3 模糊PID控制算法规则表

模糊控制器中输入变量为系统反馈值与给定的速度值形成的偏差e与偏差变化率ec。输出变量为比例、积分、微分的修正值*kp、*ki、*kd。 对变量进行模糊化处理，得到模糊子集为：NB（负大）、NM（负中）、NS（负小）、ZO（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。设计中输入变量选用三角函数作为隶属函数，输出变量选用高斯函数作为隶属函数。根据比例、积分、微分参数对系统输出特性的影响及其之间的相互作用，结合实际经验建立控制规则表，如表1所示。

系统运行过程中，通过实时检测偏差e和偏差变化率ec，将其量化到相应的论域，再到控制表中查找Kp、Ki、Kd的响应修正值，完成PID参数的在线调整，使系统达到稳定输出。模糊PID算法流程图如图7所示。

4 系统测试与验证

将两种PID控制器应用到消旋控制系统中，对比两种控制方式，调节模拟旋转器旋转速度为0 - 3 200 r/min。对比两组速度响应曲线，采用常规PID算法具有较大的超调量，系统达到稳定的时间相对较长，采用模糊PID算法，在受到外界干扰时，系统的响应速度更快，能自适应调节，具有较强的鲁棒性。速度响应对比曲线如图8所示。

5 结 论

设计了基于STM32的航空消旋控制系统，该系统通过测量机体旋转的运动参数，控制消旋平台及相机反向旋转，从而使相机姿态保持稳定。针对电机系统控制精度低，实时性不足等问题，采用了参数自适应调整的模糊PID控制，提高了系统的稳定性。通过测量该系统控制精度能够满足实际工作需要。

参考文献

[1] 蒋锋，李变侠，曹建中.基于MSP430的图像消旋模拟系统设计[J].微计算机信息，2010：26（3-2）：86—87.

[2] 唐跃林，郑徐豪，吴德操，等.一种基于ARM处理器STM32的手持式智能化自动扶梯同步率测试仪的研制[J].国外电子测量技术，2013：36（10）：67—71.

[3] 荣少巍.基于STM32的实收实发超声波检测系统研究[J].国外电子测量技术，2014：33（9）：54—58.

[4] 袁帅，汪明，韩颖，等.基于ARM的模糊PID直流电机控制系统[J].计算机系统应用，2015：24（4）：58—63.

[5] 黄平，王英，江先志，等，基于STM32的直流电机模糊PID调速系统研究[J].机电工程，2017：34（4）：380—385.

[6] 夏长亮，郭培建，史婷娜，等，基于模糊遗传算法的无刷直流電机自适应控制[J].中国电机工程学报，2005，25（11）：129—133.