專利名稱：小型機載云臺跟蹤控制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種小型機載云臺跟蹤控制裝置，特別是涉及一種機載的小型的、多傳感器、多串口的云臺跟蹤控制裝置。
背景技術：
微型無人飛行器攜帶攝像頭可用于地面區(qū)域監(jiān)控或移動目標跟蹤，這就要求能準確地按照系統(tǒng)需要控制攝像頭視線，以獲得被監(jiān)控區(qū)域或被跟蹤目標的圖像，然而飛行器的機身振動和機體姿態(tài)難于做到精確控制，將攝像頭直接固定在機體上是不可行的，這就需要一個具有兩個或三個自由度云臺來搭載攝像頭，通過云臺的準確控制來實現(xiàn)攝像頭視線在一定范圍內的調整，并穩(wěn)定攝像頭，保證攝像頭視線能獲得被監(jiān)控區(qū)域或被跟蹤目標的穩(wěn)定圖像，從而達到區(qū)域監(jiān)控或目標跟蹤的目的。
云臺跟蹤控制裝置對于上述的應用系統(tǒng)是不可缺少的，針對應用于微型無人飛行器有負載能力小、外部環(huán)境干擾大、周邊設備常采用串口通信等特點，要求云臺跟控制裝置小型化，傳感器響應快且準確，串口足夠多，較強的運算處理能力，以適應系統(tǒng)應用需要?，F(xiàn)有的一些控制裝置由于要么無相應的傳感器、要么沒有足夠的串口，很難滿足這些要求。
發(fā)明內容
鑒于以上所述應用的問題和技術要求，本發(fā)明的目的在于提供一種機載云臺跟蹤控制裝置，它不僅體積小、重量輕、傳感器響應快且信息可靠，而且具有四個串口供系統(tǒng)使用，對微型飛行器環(huán)境具有較好的適應性。
本發(fā)明的構思是裝置采用數(shù)字集成電路，雙面電路板，選用一款高性能的具有雙串口的單片機作為主控芯片的同時，另采用一雙串口的廉價的單片機作為串口擴展和輔助處理，在擴展串口的同時，為主控芯片減輕負擔，兩機間使用兩者皆帶有的高速的同步串行口(SPI)通信；傳感器采用角速度傳感器，其中角速度傳感器由三個單軸速率陀螺構成，輸出信號通過濾波放大電路后由主控芯片A/D采樣處理，可以達到很高的響應頻率，電子羅盤通過串口向主控芯片提供飛行器的三個姿態(tài)角，它響應慢，但比較準確，所以它主要為由角速率陀螺得到的速率信息進行補償和修正，以獲得準確而可靠的飛行器態(tài)信息；裝置另三個串口作為外部串行通訊接口分別用于與機載云臺、圖像處理模塊和無線遙控通訊模塊的通信。
根據(jù)上述構思，本發(fā)明采用如下技術方案一種小型機載云臺跟蹤控制裝置，包括殼體、安裝在殼體內的線路板和外部接口，其特征在于電路結構為有一個主控單片機與一個輔助單片機采用高速同步串口SPI相連，該兩單片機的4個串口經(jīng)過RS-232電平轉換芯片后，一個連接到一個電子羅盤，另外三個作為外部串行通訊接口，分別與一個圖像處理模塊、一個無線遙控通訊模塊和一個機載云臺相連；還有一個角速度傳感器由三個電路結構均相同的單軸速度陀螺構成，其輸出信號依次經(jīng)過高通濾波器、低通濾波兼信號放大器接入所述的主控單片機；所述的圖像處理模塊將攝像頭攝取的目標圖像處理結果通過串口送到輔助單片機；所述的輔助單片機為主控單片機擴展串口和輔助處理，輸入的目標圖像信號經(jīng)其處理后送到主控單片機；所述的電子羅盤將飛行器三個姿態(tài)角數(shù)據(jù)提供給主控單片機；所述的角速度傳感器感受飛行器的三個角速度，依次經(jīng)過高通濾波、低通濾波和信號放大后由主控單片機A/D采樣處理；所述的主控單片機融合跟蹤目標圖像信息、飛行器的姿態(tài)角和角速度信息，計算出機載云臺各個方向上的移動角度或速度，并經(jīng)過串口將控制命令發(fā)送給云臺，從而完成一次周期控制；所述的無線遙控通訊模塊在系統(tǒng)工作期間，保持系統(tǒng)與地面控制站的通信，在向地面發(fā)送實時的跟蹤數(shù)據(jù)的同時，亦接受地面發(fā)來的遙控指令，從而實現(xiàn)地面操作人員對機載跟蹤系統(tǒng)的遠程操作和人工干預。
上述的單軸速率陀螺采用ENC-03M型壓電速率陀螺傳感器。
上述的RS-232電平轉換芯片采用兩個MAX232電平轉換芯片。
上述的電子羅盤采用EZ-COMPASS-3型電子羅盤模塊。
上述的高通濾波器由六個電容和六個電阻構成。
上述的低通濾波兼信號放大器由三個運放和六個電容、六個電阻構成。
上述的主控單片機采用C8051F021型單片機。
上述的輔助單片機采用ATmega162型單片機。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優(yōu)點本發(fā)明采用主控單片機與輔助單片機相連，具有四個串口供系統(tǒng)使用，對微型飛行器環(huán)境具有較好的適應性。本發(fā)明提供的裝置體積小、重量輕、傳感器響應快且信息可靠，保證攝像頭對地面目標的跟蹤。
圖1是本發(fā)明的一個實施例的應用環(huán)境圖。
圖2是圖1示例的電路框圖。
圖3是圖1示例的電路原理圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例結合
如下參見圖1，本小型機載云臺跟蹤控制裝置2應用于微型無人飛行器1攜帶攝像頭對地面移動目標4進行跟蹤。本裝置2、機載云臺3、圖像處理模塊6和無線遙控通訊模塊7均裝載在微型無人飛行器1上。機載云臺3可兩自由度運動，它集成電機驅動，并帶有攝像頭和RS-232控制接口。其中，5為地面控制站。本裝置2的作用就是采集處理飛行器的姿態(tài)角和角速度信息，然后融合圖像處理模塊6傳來的跟蹤目標圖像信息，經(jīng)過一定的跟蹤控制算法，計算出機載云臺兩個方向上的移動角度或速度，并經(jīng)過串口將控制命令發(fā)送給云臺，從而實現(xiàn)對機載云臺3的控制；通過云臺兩個方向上的角度或速度控制來穩(wěn)定和調整攝像頭視線，從而保證被跟蹤目標在攝像頭視線內，并獲得被跟蹤目標的穩(wěn)定圖像。
參見圖2，虛線框內即為本小型機載云臺跟蹤控制裝置2，其中角速度傳感器8輸出信號進入高通濾波器組9，濾除低頻的信號和直流分量后進入低通濾波兼信號放大器組10，將高頻雜音濾除之后輸入到主控單片機11，進行A/D采樣處理，得到飛行器的三個角速度；輔助單片機12與主控單片機11通過各自的高速同步串行口(SPI)相連，主控單片機11的兩串口經(jīng)電平轉換后，其中一路與電子羅盤13相連，另一路作為外部串行通訊接口與機載云臺3相連，主控單片機11可從電子羅盤13獲得飛行器的三個姿態(tài)角數(shù)據(jù)；輔助單片機12的兩串口經(jīng)電平轉換后均作為外部串行通訊接口，一路與圖像處理模塊6連接，另一路與無線遙控通訊模塊7連接，輔助單片機12其將從圖像處理模塊6獲得的圖像處理結果傳送給主控單片機11；這樣，主控單片機11融合跟蹤目標圖像信息、飛行器的姿態(tài)角和角速度信息，經(jīng)過一定的跟蹤控制算法，計算出云臺兩個方向上的移動角度或速度，并經(jīng)過串口將控制命令發(fā)送給云臺，從而實現(xiàn)對機載云臺3的控制；同時，通過無線遙控通訊模塊與地面控制站5通信，在向地面發(fā)送實時的跟蹤數(shù)據(jù)的同時，亦接受地面發(fā)來的遙控指令，從而實現(xiàn)地面操作人員對機載跟蹤系統(tǒng)的遠程操作和人工干預。
本實施例的具體電路參見圖3，首先通過外部接口14的電源接口接入+5V電壓，經(jīng)過3.3V穩(wěn)壓源15得到3.3V電壓、經(jīng)過2.5V電壓基準16得到2.5V電壓。角速度傳感器8由三個ENC-03M單軸速度陀螺U1、U2、U3構成，其模擬量輸出分別輸?shù)礁咄V波器組9，即以電容C1和電阻R1構成的高通濾波器，以電容C4和電阻R4構成的高通濾波器，以電容C7和電阻R7構成的高通濾波器；然后再分別經(jīng)過低通濾波器兼信號放大器組10，即以A1、R2、R3、C3構成的低通濾波兼信號放大器，以A2、R5、R6、C6構成的低通濾波兼信號放大器，以A3、R8、R9、C9構成的低通濾波兼信號放大器；這樣低通濾波和電壓放大后的信號PITCH、ROLL、YAW才分別輸入到主控單片機11的模數(shù)轉換口ADC0的通道0～2進行A/D采樣并處理。主控單片機11和輔助單片機12通過高速同步串行口(SPI)19相連，兩機可根據(jù)程序需要切換SPI通信模式(主機或從機)，JTAG調試口18、20分別對主控單片機11和輔助單片機12進行程序調試及代碼下載用。主控單片機11的串口1(P0.0和P0.1)經(jīng)過MAX232電平轉換芯片21后接到電子羅盤7，串口2(P0.6和P0.7)經(jīng)過MAX232電平轉換芯片21后作為外部接口14中的RS-232串口(TX1和RX1)，用于與機載云臺3相連；輔助單片機16的串口1(TXD0和RXD0)和串口2(TXD1和RXD1)經(jīng)過MAX232電平轉換17在作為外部接口14的中的RS-232串口(TX2和RX2)和RS-232串口(TX3和RX3)，分別用于與圖像處理模塊6和無線遙控通訊模塊7相連。
權利要求
1.一種小型機載云臺跟蹤控制裝置，包括殼體、安裝在殼體內的線路板和外部接口，其特征在于電路結構為有一個主控單片機(11)與一個輔助單片機(12)采用高速串行口SPI相連，該兩單片機(11、12)的四個串口經(jīng)過RS-232電平轉換芯片后，一個連接到一個電子羅盤(13)，另外三個作為外部串行通訊接口，分別與一個圖像處理模塊(6)、一個無線遙控通訊模塊(7)和一個機載云臺(3)相連；還有一個角速度傳感器由三個電路結構均相同的單軸速度陀螺構成，其輸出信號依次經(jīng)過一個高通濾波器(9)和一個低通濾波兼信號放大器(10)接入所述的主控單片機(11)；所述的圖像處理模塊(6)將攝像頭攝取的目標圖像處理后通過串口送到所述的輔助單片機(12)；所述的輔助單片機(12)為主控單片機(11)擴展串口和輔助處理，輸入目標圖像信號經(jīng)其輔助處理后送到主控單片機(11)；所述的電子羅盤(13)將飛行器(1)三個姿態(tài)角數(shù)據(jù)提供給主控單片機(11)；所述的角速度傳感器(8)感受飛行器的三個角速度，依次經(jīng)高通濾波、低通濾波和信號放大后由主控單片機A/D采樣處理；所述的主控單片機(11)融合跟蹤目標、飛行器(1)的姿態(tài)角或角速度，計算出機載云臺(3)各方向上的移動角度或速度，并經(jīng)過串口將控制命令發(fā)送給云臺，從而完成一次周期控制；所述的無線遙控通訊模塊(7)在系統(tǒng)工作期間，保持系統(tǒng)與地面控制站的通訊，在向地面發(fā)送實時的跟蹤數(shù)據(jù)的同時，亦接受地面發(fā)來的遙控指令。
2.根據(jù)權利要求1所述的小型機載云臺跟蹤控制裝置，其特征在于所述的單軸速度陀螺采用ENC-03M型壓電速度陀螺傳感器。
3.根據(jù)權利要求1所述的小型機載云臺跟蹤控制裝置，其特征在于所述的RS-232電平轉換芯片采用兩個MAX232電平轉換芯片。
4.根據(jù)權利要求1所述的小型機載云臺跟蹤控制裝置，其特征在于所述的電子羅盤(13)采用EZ-COMPASS-3型電子羅盤模塊。
5.根據(jù)權利要求1所述的小型機載云臺跟蹤控制裝置，其特征在于所述的高速濾波器(9)由六個電容和六個電阻構成。
6.根據(jù)權利要求1所述的小型機載云臺跟蹤控制裝置，其特征在于所述的低通濾波兼信號放大器(10)由三個運放和六個電容、六個電阻構成。
7.根據(jù)權利要求1所述的小型機載云臺跟蹤控制裝置，其特征在于所述的主控單片機(11)采用C8051F021型單片機。
8.根據(jù)權利要求1所述的小型機載云臺跟蹤控制裝置，其特征在于所述的輔助單片機(12)采用ATmegal62型單片機。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種小型機載云臺跟蹤控制裝置。其電路結構是一個主控單片機與一個輔助單片機采用SPI串行口相連，該兩單片機的四個串口經(jīng)RS－232電平轉換芯片后，一個連接電子羅盤，另外三個作為外部串行通訊接口，分別連接一個圖像處理模塊、一個無線遙控通訊模塊和一個機載云臺，還有一個角速度傳感器由三個電路結構均相同的單軸速度陀螺構成，其輸出信號依次經(jīng)過一個高通濾波器和一個低通濾波兼信號放大器接入所述的主控單片機。本發(fā)明對微型飛行器環(huán)境具有較好的適應性，能保證攝像頭對地面目標的跟蹤。
文檔編號G05B19/418GK1952827SQ20061011636
公開日2007年4月25日 申請日期2006年9月21日 優(yōu)先權日2006年9月21日
發(fā)明者傅湘國, 龔振邦, 謝少榮, 丁衛(wèi) 申請人:上海大學