一種基于模糊自適應PID算法的三軸穩定器的制作方法

本實用新型涉及智能控制領域，特別涉及一種基于模糊自適應PID算法的三軸穩定器。

背景技術：

三軸穩定器是攝影類智能控制系統的關鍵技術之一，利用其運行平緩，防抖的特點，實現對攝影設備角度和位置的實時調整，從而增強拍攝效果。通常情況下，三軸穩定器使用傳統PID(proportion integral derivative，比例、積分、微分)算法控制，利用單一單片機直接控制驅動電路，實現步進電機調整，達到用戶使用要求。適用于設備的穩定控制，如極限運動攝影，無人機航拍等。

現在技術存在以下不足：

1.單片機采用傳統PID算法，其易發生超調、動態響應速度慢、延遲等問題，使得該算法不能保證三軸穩定器系統穩定。

2.系統使用一個單片機直接控制驅動電路，當遇到系統環境變化時，則其控制效果大打折扣。

技術實現要素：

為了克服現有的三軸穩定器系統穩定性不夠，抗干擾能力不強，反應速度慢等不足，本實用新型實施例提供了一種基于模糊自適應PID算法的三軸穩定器，大大提高了系統的抗干擾能力和適應參數變化的魯棒性，減小了超調，改善了系統動態特性。

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

所述從單片機(06)，用于接收陀螺儀(05)實時監測的連接架(04)的姿態數據、以及主單片機(01)上預先配置的初始數據，基于模糊自適應PID算法對接收到的姿態數據和初始數據進行模糊化處理，選取最佳的PID控制參數，發送給主單片機(01)；

所述主單片機(01)，用于根據所述從單片機(06)發送的PID控制參數計算出控制量，并將計算出的控制量發送給驅動模塊(02)；

所述驅動模塊(02)，用于根據主單片機(01)發送的控制量，控制對應的步進電機(03)轉動，以及利用所述步進電機(03)的轉動，實現對連接架(04)的姿態調整。

所述主單片機(01)和從單片機(06)固定在連接架(04)頂部。

進一步地，每一個驅動模塊(02)固定在對應步進電機(03)的尾部。

進一步地，所述主單片機(01)和從單片機(06)固定在連接架(04)頂部。

所述驅動模塊(02)具體用于根據主單片機(01)發送的控制量，產生相應的PWM控制波形發送給對應的步進電機(03)，所述PWM控制波形用以實現對步進電機(03)轉動控制。

進一步地，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。

本實用新型提供的基于模糊自適應PID算法的三軸穩定器，將基于模糊自適應PID算法的從單片機(06)應用在由主單片機(01)、驅動模塊(02)、步進電機(03)、連接架(04)、陀螺儀(05)組成的三軸穩定器中，以主單片機(01)和從單片機(06)為主要控制單元，采用模糊自適應PID算法對陀螺儀(05)采集的姿態數據進行計算處理，實現良好的三軸穩定器系統控制，克服了當下傳統PID算法控制下系統穩定性差、超調量大、抗干擾能力較弱等特點，提高系統的動態響應速度，增強系統的魯棒性，減少了因拍攝穩定性和外界干擾對拍攝效果產生的影響，減少了不必的人身傷害。

本中請的其它特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本中請而了解。本申請的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

圖1是為本實用新型的三軸穩定器控制系統硬件原理圖。

圖2是為本實用新型的模糊自適應PID控制器系統原理圖。

圖3是為本實用新型的軟件實現流程圖。

具體實施方式

本實用新型實施例針對現有技術中，三軸穩定器穩定性隨環境變化不可控、操作不方便的技術問題，提供一種使用安全、操作方便的三軸穩定器。本實用新型實施例提供的三軸穩定器，可以根據外部環境和干擾需求自行調整內部PID控制參數，使得使用者在使用過程中主動性提高，抗干擾增強，安全性提升，同時有效提升了攝影類使用的拍攝效果。

本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是：在傳統PID算法控制的基礎上增加了智能控制算法-模糊控制，構成Fuzzy-PID的復合控制，并創造性的應用于三軸穩定器系統，是改善三軸穩定器系統的有效途徑。在工作時，首先從單片機(06)讀取陀螺儀數據，檢測連接架(04)的姿態數據；其次比較當前時刻位置信息和主單片機(01)上預先配置的初始數據并計算誤差，利用模糊自適應PID算法，按照模糊控制規則對三路的PID控制參數進行選擇；最后系統可以根據當前時刻PID控制參數計算出誤差輸出控制量PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制)，發送給驅動模塊(02)，實現對連接架(04)姿態誤差調整。該閉環控制是在模糊自適應PID算法的基礎上完成的，實時性和穩定性相比于傳統PID算法控制都得到了提高。該設計將模糊自適應PID算法應用于三軸穩定器系統，使三軸穩定器系統具有了自適應的性能，以達到產品應用的要求，從而提高用戶的使用體驗，使三軸穩定器的性能優勢能得以最大程度的發揮。

以下結合說明書附圖對本實用新型的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用于說明和解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。并且在不沖突的情況下，本中請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

以下結合附圖和較佳實施例，對依據本實用新型提供的具體實施方式、結構、特征詳述如下：

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

從單片機(06)，用于接收陀螺儀(05)實時監測的連接架(04)的姿態數據、以及主單片機(01)上預先配置的初始數據，基于PID算法對接收到的姿態數據和初始數據進行模糊化處理，選取最佳的PID控制參數，發送給主單片機(01)；

具體實施中，從單片機(06)將陀螺儀(05)實時監測到的連接架(04)的姿態數據(即當前時刻位置信息)、與主單片機(01)上預先配置的初始數據計算誤差，利用模糊自適應PID算法，按照模糊控制規則對三軸的PID控制參數進行選擇；由于連接架有三個側面，每一個側面對應一軸的PID控制參數，因此共得到三軸的PID控制參數。

主單片機(01)，用于根據所述從單片機(06)發送的PID控制參數計算出控制量，并將計算出的控制量發送給驅動模塊(02)；

具體實施中，主單片機(01)根據從單片機(06)發送的三軸的PID控制參數分別計算出每一軸的控制量，并將計算出的每一軸的控制量分別發送給對應的驅動模塊(02)。

驅動模塊(02)，用于根據主單片機(01)發送的控制量，控制對應的步進電機(03)轉動，以及利用所述步進電機(03)的轉動，實現對連接架(04)的姿態調整；可以理解，驅動模塊(02)對應的步進電機(03)是指與本驅動模塊(02)電氣連接的步進電機(03)。

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

具體實施中，每一個驅動模塊(02)通常固定在對應步進電機(03)的尾部。

所述驅動模塊(02)具體用于根據主單片機(01)發送的控制量，產生相應的PWM控制波形發送給步進電機(03)，所述PWM控制波形用以實現對步進電機(03)轉動控制。

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。

具體實施中，三軸穩定器可以采用ST(意法半導體)公司Cortex-M4內核的STM32系列作為主單片機(01)和從單片機(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(06)讀取連接架(04)實時的姿態數據，步進電機(03)可以使用馬達GM2805H，用于調節連接架(04)姿態。

在工作時，首先從單片機(06)通過IO口讀取陀螺儀(04)采集的數據，通過檢測實時連接架(04)三軸姿態數據，比較當前時刻連接架(04)姿態數據和主單片機(01)上預先配置的初始數據，計算實時姿態誤差，利用從單片機(02)中模糊自適應PID算法，按照其模糊控制規則對三軸(YAW軸、PITCH軸、ROLL軸)的PID控制參數進行選擇；然后將選擇好的PID控制參數傳輸給主單片機(01)進行處理、判斷當前系統狀態，并根據當前時刻PID控制參數計算輸出控制量PWM，發送給驅動模塊(02)，實現對連接架(04)姿態誤差調整。該閉環控制是在模糊自適應PID算法的基礎上完成的，實時性和穩定性相比于傳統PID算法控制都得到了提高。

圖2所示實施例中，模糊自適應PID控制器原理是該系統控制算法的核心，是在傳統PID算法基礎上的改進。傳統PID控制器是線性結構的，該控制會根據給定參數R(t)和輸出值Y(t)作比較，計算出實時誤差函數：

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次采樣時刻控制器輸出值；e(k)：第k次采樣時刻輸入的誤差值；Δe(k)：第k次采樣時刻輸入的誤差變化率；Kp：比例系數；Kp：積分系數；Kd：微分系數；

而模糊自適應PID算法，融合了傳統PID算法簡單有效和模糊控制規則的準確控制的優點。模糊自適應和傳統PID算法的結合應用在三軸穩定器系統中，改進了穩態控制精度并且提高了智能水平和系統適應環境的能力。其中模糊控制器是模糊自適應PID算法的主要組成部分，模糊控制規則決定了PID控制參數選擇的方法。

圖3所示實施例中，模糊自適應PID算法應用于三軸穩定器系統的軟件實現流程圖，是在主單片機(01)和從單片機(06)硬件系統的基礎上對控制算法進行實現。該軟件設計主要分為控制部分和檢測部分，控制部分是指利用主單片機(01)輸出用戶不同模式選擇下的PWM波形，以控制步進電機(03)實時對連接架(04)姿態的調整，檢測部分是指利用從單片機(06)實時讀取陀螺儀(05)的實時姿態數據，以達到實時對連接架(04)姿態的檢測和數據獲取。在軟件控制系統中，系統初始化主要包含了對連接架(04)初始化姿態檢測，對主單片機(01)和從單片機(06)時鐘寄存器等端口進行初始化配置，其中用戶選擇工作模式包含三種系統工作模式：保持模式、跟隨模式、初始化角度調節模式。程序控制的后半部分則是參數檢測部分，為算法提供有效地實時系統參數數據。

本實用新型提供的基于模糊自適應PID算法的三軸穩定器，將基于模糊自適應PID算法的從單片機(06)應用在由主單片機(01)、驅動模塊(02)、步進電機(03)、連接架(04)、陀螺儀(05)組成的三軸穩定器中，以主單片機(01)和從單片機(06)為主要控制單元，采用模糊自適應PID算法對陀螺儀(05)采集的姿態數據進行計算處理，實現良好的三軸穩定器系統控制，克服了當下傳統PID算法控制下系統穩定性差、超調量大、抗干擾能力較弱等特點，提高系統的動態響應速度，增強系統的魯棒性，減少了因拍攝穩定性和外界干擾對拍攝效果產生的影響，減少了不必的人身傷害。

顯然，本領域的技術人員可以對本實用新型進行各種改動和變型而不脫離本實用新型的精神和范圍。這樣，倘若本實用新型的這些修改和變型屬于本實用新型權利要求及其等同技術的范圍之內，則本實用新型也意圖包含這些改動和變型在內。