本實(shí)用新型涉及智能控制領(lǐng)域，特別涉及一種基于模糊自適應(yīng)PID算法的三軸穩(wěn)定器。

背景技術(shù)：

三軸穩(wěn)定器是攝影類(lèi)智能控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，利用其運(yùn)行平緩，防抖的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)攝影設(shè)備角度和位置的實(shí)時(shí)調(diào)整，從而增強(qiáng)拍攝效果。通常情況下，三軸穩(wěn)定器使用傳統(tǒng)PID(proportion integral derivative，比例、積分、微分)算法控制，利用單一單片機(jī)直接控制驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)調(diào)整，達(dá)到用戶(hù)使用要求。適用于設(shè)備的穩(wěn)定控制，如極限運(yùn)動(dòng)攝影，無(wú)人機(jī)航拍等。

現(xiàn)在技術(shù)存在以下不足：

1.單片機(jī)采用傳統(tǒng)PID算法，其易發(fā)生超調(diào)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢、延遲等問(wèn)題，使得該算法不能保證三軸穩(wěn)定器系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.系統(tǒng)使用一個(gè)單片機(jī)直接控制驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)遇到系統(tǒng)環(huán)境變化時(shí)，則其控制效果大打折扣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有的三軸穩(wěn)定器系統(tǒng)穩(wěn)定性不夠，抗干擾能力不強(qiáng)，反應(yīng)速度慢等不足，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種基于模糊自適應(yīng)PID算法的三軸穩(wěn)定器，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和適應(yīng)參數(shù)變化的魯棒性，減小了超調(diào)，改善了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。

本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種基于模糊自適應(yīng)PID算法的三軸穩(wěn)定器，包括主單片機(jī)(01)、從單片機(jī)(06)、驅(qū)動(dòng)模塊(02)、步進(jìn)電機(jī)(03)、陀螺儀(05)和連接架(04)，所述主單片機(jī)(01)和從單片機(jī)(06)電氣連接并固定在連接架(04)上，在連接架(04)三個(gè)側(cè)面上分別固定一組電氣連接的驅(qū)動(dòng)模塊(02)和步進(jìn)電機(jī)(03)，各驅(qū)動(dòng)模塊(02)均與主單片機(jī)(01)電氣連接，陀螺儀(05)安裝在連接架(04)底部并與從單片機(jī)(06)電氣連接；其中：

所述從單片機(jī)(06)，用于接收陀螺儀(05)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的連接架(04)的姿態(tài)數(shù)據(jù)、以及主單片機(jī)(01)上預(yù)先配置的初始數(shù)據(jù)，基于模糊自適應(yīng)PID算法對(duì)接收到的姿態(tài)數(shù)據(jù)和初始數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理，選取最佳的PID控制參數(shù)，發(fā)送給主單片機(jī)(01)；

所述主單片機(jī)(01)，用于根據(jù)所述從單片機(jī)(06)發(fā)送的PID控制參數(shù)計(jì)算出控制量，并將計(jì)算出的控制量發(fā)送給驅(qū)動(dòng)模塊(02)；

所述驅(qū)動(dòng)模塊(02)，用于根據(jù)主單片機(jī)(01)發(fā)送的控制量，控制對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)(03)轉(zhuǎn)動(dòng)，以及利用所述步進(jìn)電機(jī)(03)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)連接架(04)的姿態(tài)調(diào)整。

所述主單片機(jī)(01)和從單片機(jī)(06)固定在連接架(04)頂部。

進(jìn)一步地，每一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊(02)固定在對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)(03)的尾部。

進(jìn)一步地，所述主單片機(jī)(01)和從單片機(jī)(06)固定在連接架(04)頂部。

所述驅(qū)動(dòng)模塊(02)具體用于根據(jù)主單片機(jī)(01)發(fā)送的控制量，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM控制波形發(fā)送給對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)(03)，所述PWM控制波形用以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)(03)轉(zhuǎn)動(dòng)控制。

進(jìn)一步地，所述陀螺儀(05)水平安裝或者垂直安裝在連接架(04)底部的中心位置。

本實(shí)用新型提供的基于模糊自適應(yīng)PID算法的三軸穩(wěn)定器，將基于模糊自適應(yīng)PID算法的從單片機(jī)(06)應(yīng)用在由主單片機(jī)(01)、驅(qū)動(dòng)模塊(02)、步進(jìn)電機(jī)(03)、連接架(04)、陀螺儀(05)組成的三軸穩(wěn)定器中，以主單片機(jī)(01)和從單片機(jī)(06)為主要控制單元，采用模糊自適應(yīng)PID算法對(duì)陀螺儀(05)采集的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，實(shí)現(xiàn)良好的三軸穩(wěn)定器系統(tǒng)控制，克服了當(dāng)下傳統(tǒng)PID算法控制下系統(tǒng)穩(wěn)定性差、超調(diào)量大、抗干擾能力較弱等特點(diǎn)，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，減少了因拍攝穩(wěn)定性和外界干擾對(duì)拍攝效果產(chǎn)生的影響，減少了不必的人身傷害。

本中請(qǐng)的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說(shuō)明書(shū)中闡述，并且，部分地從說(shuō)明書(shū)中變得顯而易見(jiàn)，或者通過(guò)實(shí)施本中請(qǐng)而了解。本申請(qǐng)的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)在所寫(xiě)的說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求書(shū)、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是為本實(shí)用新型的三軸穩(wěn)定器控制系統(tǒng)硬件原理圖。

圖2是為本實(shí)用新型的模糊自適應(yīng)PID控制器系統(tǒng)原理圖。

圖3是為本實(shí)用新型的軟件實(shí)現(xiàn)流程圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型實(shí)施例針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中，三軸穩(wěn)定器穩(wěn)定性隨環(huán)境變化不可控、操作不方便的技術(shù)問(wèn)題，提供一種使用安全、操作方便的三軸穩(wěn)定器。本實(shí)用新型實(shí)施例提供的三軸穩(wěn)定器，可以根據(jù)外部環(huán)境和干擾需求自行調(diào)整內(nèi)部PID控制參數(shù)，使得使用者在使用過(guò)程中主動(dòng)性提高，抗干擾增強(qiáng)，安全性提升，同時(shí)有效提升了攝影類(lèi)使用的拍攝效果。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：在傳統(tǒng)PID算法控制的基礎(chǔ)上增加了智能控制算法-模糊控制，構(gòu)成Fuzzy-PID的復(fù)合控制，并創(chuàng)造性的應(yīng)用于三軸穩(wěn)定器系統(tǒng)，是改善三軸穩(wěn)定器系統(tǒng)的有效途徑。在工作時(shí)，首先從單片機(jī)(06)讀取陀螺儀數(shù)據(jù)，檢測(cè)連接架(04)的姿態(tài)數(shù)據(jù)；其次比較當(dāng)前時(shí)刻位置信息和主單片機(jī)(01)上預(yù)先配置的初始數(shù)據(jù)并計(jì)算誤差，利用模糊自適應(yīng)PID算法，按照模糊控制規(guī)則對(duì)三路的PID控制參數(shù)進(jìn)行選擇；最后系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻PID控制參數(shù)計(jì)算出誤差輸出控制量PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制)，發(fā)送給驅(qū)動(dòng)模塊(02)，實(shí)現(xiàn)對(duì)連接架(04)姿態(tài)誤差調(diào)整。該閉環(huán)控制是在模糊自適應(yīng)PID算法的基礎(chǔ)上完成的，實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性相比于傳統(tǒng)PID算法控制都得到了提高。該設(shè)計(jì)將模糊自適應(yīng)PID算法應(yīng)用于三軸穩(wěn)定器系統(tǒng)，使三軸穩(wěn)定器系統(tǒng)具有了自適應(yīng)的性能，以達(dá)到產(chǎn)品應(yīng)用的要求，從而提高用戶(hù)的使用體驗(yàn)，使三軸穩(wěn)定器的性能優(yōu)勢(shì)能得以最大程度的發(fā)揮。

以下結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說(shuō)明和解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。并且在不沖突的情況下，本中請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

以下結(jié)合附圖和較佳實(shí)施例，對(duì)依據(jù)本實(shí)用新型提供的具體實(shí)施方式、結(jié)構(gòu)、特征詳述如下：

圖1所示實(shí)施例中，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種基于模糊自適應(yīng)PID算法的三軸穩(wěn)定器，包括主單片機(jī)(01)、從單片機(jī)(06)、驅(qū)動(dòng)模塊(02)、步進(jìn)電機(jī)(03)、陀螺儀(05)和連接架(04)，其中主單片機(jī)(01)和從單片機(jī)(06)電氣連接并固定在連接架(04)上，在連接架(04)三個(gè)側(cè)面上分別固定一組電氣連接的驅(qū)動(dòng)模塊(02)和步進(jìn)電機(jī)(03)，各驅(qū)動(dòng)模塊(02)均與主單片機(jī)(01)電氣連接，陀螺儀(05)安裝在連接架(04)底部并與從單片機(jī)(06)電氣連接；其中：

從單片機(jī)(06)，用于接收陀螺儀(05)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的連接架(04)的姿態(tài)數(shù)據(jù)、以及主單片機(jī)(01)上預(yù)先配置的初始數(shù)據(jù)，基于PID算法對(duì)接收到的姿態(tài)數(shù)據(jù)和初始數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理，選取最佳的PID控制參數(shù)，發(fā)送給主單片機(jī)(01)；

具體實(shí)施中，從單片機(jī)(06)將陀螺儀(05)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的連接架(04)的姿態(tài)數(shù)據(jù)(即當(dāng)前時(shí)刻位置信息)、與主單片機(jī)(01)上預(yù)先配置的初始數(shù)據(jù)計(jì)算誤差，利用模糊自適應(yīng)PID算法，按照模糊控制規(guī)則對(duì)三軸的PID控制參數(shù)進(jìn)行選擇；由于連接架有三個(gè)側(cè)面，每一個(gè)側(cè)面對(duì)應(yīng)一軸的PID控制參數(shù)，因此共得到三軸的PID控制參數(shù)。

主單片機(jī)(01)，用于根據(jù)所述從單片機(jī)(06)發(fā)送的PID控制參數(shù)計(jì)算出控制量，并將計(jì)算出的控制量發(fā)送給驅(qū)動(dòng)模塊(02)；

具體實(shí)施中，主單片機(jī)(01)根據(jù)從單片機(jī)(06)發(fā)送的三軸的PID控制參數(shù)分別計(jì)算出每一軸的控制量，并將計(jì)算出的每一軸的控制量分別發(fā)送給對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊(02)。

驅(qū)動(dòng)模塊(02)，用于根據(jù)主單片機(jī)(01)發(fā)送的控制量，控制對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)(03)轉(zhuǎn)動(dòng)，以及利用所述步進(jìn)電機(jī)(03)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)連接架(04)的姿態(tài)調(diào)整；可以理解，驅(qū)動(dòng)模塊(02)對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)(03)是指與本驅(qū)動(dòng)模塊(02)電氣連接的步進(jìn)電機(jī)(03)。

具體實(shí)施中，主單片機(jī)(01)和從單片機(jī)(06)通常固定在連接架(04)頂部。

具體實(shí)施中，每一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊(02)通常固定在對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)(03)的尾部。

所述驅(qū)動(dòng)模塊(02)具體用于根據(jù)主單片機(jī)(01)發(fā)送的控制量，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM控制波形發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)(03)，所述PWM控制波形用以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)(03)轉(zhuǎn)動(dòng)控制。

較佳的，陀螺儀(05)水平安裝或者垂直安裝在連接架(04)底部的中心位置。

具體實(shí)施中，三軸穩(wěn)定器可以采用ST(意法半導(dǎo)體)公司Cortex-M4內(nèi)核的STM32系列作為主單片機(jī)(01)和從單片機(jī)(06)，連接架(04)安裝有Inventor Sense公司的MPU-6050陀螺儀(05)芯片，用于從單片機(jī)(06)讀取連接架(04)實(shí)時(shí)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，步進(jìn)電機(jī)(03)可以使用馬達(dá)GM2805H，用于調(diào)節(jié)連接架(04)姿態(tài)。

在工作時(shí)，首先從單片機(jī)(06)通過(guò)IO口讀取陀螺儀(04)采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)檢測(cè)實(shí)時(shí)連接架(04)三軸姿態(tài)數(shù)據(jù)，比較當(dāng)前時(shí)刻連接架(04)姿態(tài)數(shù)據(jù)和主單片機(jī)(01)上預(yù)先配置的初始數(shù)據(jù)，計(jì)算實(shí)時(shí)姿態(tài)誤差，利用從單片機(jī)(02)中模糊自適應(yīng)PID算法，按照其模糊控制規(guī)則對(duì)三軸(YAW軸、PITCH軸、ROLL軸)的PID控制參數(shù)進(jìn)行選擇；然后將選擇好的PID控制參數(shù)傳輸給主單片機(jī)(01)進(jìn)行處理、判斷當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，并根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻PID控制參數(shù)計(jì)算輸出控制量PWM，發(fā)送給驅(qū)動(dòng)模塊(02)，實(shí)現(xiàn)對(duì)連接架(04)姿態(tài)誤差調(diào)整。該閉環(huán)控制是在模糊自適應(yīng)PID算法的基礎(chǔ)上完成的，實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性相比于傳統(tǒng)PID算法控制都得到了提高。

圖2所示實(shí)施例中，模糊自適應(yīng)PID控制器原理是該系統(tǒng)控制算法的核心，是在傳統(tǒng)PID算法基礎(chǔ)上的改進(jìn)。傳統(tǒng)PID控制器是線(xiàn)性結(jié)構(gòu)的，該控制會(huì)根據(jù)給定參數(shù)R(t)和輸出值Y(t)作比較，計(jì)算出實(shí)時(shí)誤差函數(shù)：

e(t)＝R(t)-Y(t) (1)

其中式中：K：采樣序列，K＝0，1，2，3...；μ(k)：第k次采樣時(shí)刻控制器輸出值；e(k)：第k次采樣時(shí)刻輸入的誤差值；Δe(k)：第k次采樣時(shí)刻輸入的誤差變化率；Kp：比例系數(shù)；Kp：積分系數(shù)；Kd：微分系數(shù)；

而模糊自適應(yīng)PID算法，融合了傳統(tǒng)PID算法簡(jiǎn)單有效和模糊控制規(guī)則的準(zhǔn)確控制的優(yōu)點(diǎn)。模糊自適應(yīng)和傳統(tǒng)PID算法的結(jié)合應(yīng)用在三軸穩(wěn)定器系統(tǒng)中，改進(jìn)了穩(wěn)態(tài)控制精度并且提高了智能水平和系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境的能力。其中模糊控制器是模糊自適應(yīng)PID算法的主要組成部分，模糊控制規(guī)則決定了PID控制參數(shù)選擇的方法。

圖3所示實(shí)施例中，模糊自適應(yīng)PID算法應(yīng)用于三軸穩(wěn)定器系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)流程圖，是在主單片機(jī)(01)和從單片機(jī)(06)硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)控制算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。該軟件設(shè)計(jì)主要分為控制部分和檢測(cè)部分，控制部分是指利用主單片機(jī)(01)輸出用戶(hù)不同模式選擇下的PWM波形，以控制步進(jìn)電機(jī)(03)實(shí)時(shí)對(duì)連接架(04)姿態(tài)的調(diào)整，檢測(cè)部分是指利用從單片機(jī)(06)實(shí)時(shí)讀取陀螺儀(05)的實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)，以達(dá)到實(shí)時(shí)對(duì)連接架(04)姿態(tài)的檢測(cè)和數(shù)據(jù)獲取。在軟件控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)初始化主要包含了對(duì)連接架(04)初始化姿態(tài)檢測(cè)，對(duì)主單片機(jī)(01)和從單片機(jī)(06)時(shí)鐘寄存器等端口進(jìn)行初始化配置，其中用戶(hù)選擇工作模式包含三種系統(tǒng)工作模式：保持模式、跟隨模式、初始化角度調(diào)節(jié)模式。程序控制的后半部分則是參數(shù)檢測(cè)部分，為算法提供有效地實(shí)時(shí)系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)。

本實(shí)用新型提供的基于模糊自適應(yīng)PID算法的三軸穩(wěn)定器，將基于模糊自適應(yīng)PID算法的從單片機(jī)(06)應(yīng)用在由主單片機(jī)(01)、驅(qū)動(dòng)模塊(02)、步進(jìn)電機(jī)(03)、連接架(04)、陀螺儀(05)組成的三軸穩(wěn)定器中，以主單片機(jī)(01)和從單片機(jī)(06)為主要控制單元，采用模糊自適應(yīng)PID算法對(duì)陀螺儀(05)采集的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，實(shí)現(xiàn)良好的三軸穩(wěn)定器系統(tǒng)控制，克服了當(dāng)下傳統(tǒng)PID算法控制下系統(tǒng)穩(wěn)定性差、超調(diào)量大、抗干擾能力較弱等特點(diǎn)，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，減少了因拍攝穩(wěn)定性和外界干擾對(duì)拍攝效果產(chǎn)生的影響，減少了不必的人身傷害。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍。這樣，倘若本實(shí)用新型的這些修改和變型屬于本實(shí)用新型權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本實(shí)用新型也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。