一种基于模糊自适应PID算法的三轴稳定器的制作方法

本实用新型涉及智能控制领域，特别涉及一种基于模糊自适应PID算法的三轴稳定器。

背景技术：

三轴稳定器是摄影类智能控制系统的关键技术之一，利用其运行平缓，防抖的特点，实现对摄影设备角度和位置的实时调整，从而增强拍摄效果。通常情况下，三轴稳定器使用传统PID(proportion integral derivative，比例、积分、微分)算法控制，利用单一单片机直接控制驱动电路，实现步进电机调整，达到用户使用要求。适用于设备的稳定控制，如极限运动摄影，无人机航拍等。

现在技术存在以下不足：

1.单片机采用传统PID算法，其易发生超调、动态响应速度慢、延迟等问题，使得该算法不能保证三轴稳定器系统稳定。

2.系统使用一个单片机直接控制驱动电路，当遇到系统环境变化时，则其控制效果大打折扣。

技术实现要素：

为了克服现有的三轴稳定器系统稳定性不够，抗干扰能力不强，反应速度慢等不足，本实用新型实施例提供了一种基于模糊自适应PID算法的三轴稳定器，大大提高了系统的抗干扰能力和适应参数变化的鲁棒性，减小了超调，改善了系统动态特性。

本实用新型实施例提供的一种基于模糊自适应PID算法的三轴稳定器，包括主单片机(01)、从单片机(06)、驱动模块(02)、步进电机(03)、陀螺仪(05)和连接架(04)，所述主单片机(01)和从单片机(06)电气连接并固定在连接架(04)上，在连接架(04)三个侧面上分别固定一组电气连接的驱动模块(02)和步进电机(03)，各驱动模块(02)均与主单片机(01)电气连接，陀螺仪(05)安装在连接架(04)底部并与从单片机(06)电气连接；其中：

所述从单片机(06)，用于接收陀螺仪(05)实时监测的连接架(04)的姿态数据、以及主单片机(01)上预先配置的初始数据，基于模糊自适应PID算法对接收到的姿态数据和初始数据进行模糊化处理，选取最佳的PID控制参数，发送给主单片机(01)；

所述主单片机(01)，用于根据所述从单片机(06)发送的PID控制参数计算出控制量，并将计算出的控制量发送给驱动模块(02)；

所述驱动模块(02)，用于根据主单片机(01)发送的控制量，控制对应的步进电机(03)转动，以及利用所述步进电机(03)的转动，实现对连接架(04)的姿态调整。

所述主单片机(01)和从单片机(06)固定在连接架(04)顶部。

进一步地，每一个驱动模块(02)固定在对应步进电机(03)的尾部。

进一步地，所述主单片机(01)和从单片机(06)固定在连接架(04)顶部。

所述驱动模块(02)具体用于根据主单片机(01)发送的控制量，产生相应的PWM控制波形发送给对应的步进电机(03)，所述PWM控制波形用以实现对步进电机(03)转动控制。

进一步地，所述陀螺仪(05)水平安装或者垂直安装在连接架(04)底部的中心位置。

本实用新型提供的基于模糊自适应PID算法的三轴稳定器，将基于模糊自适应PID算法的从单片机(06)应用在由主单片机(01)、驱动模块(02)、步进电机(03)、连接架(04)、陀螺仪(05)组成的三轴稳定器中，以主单片机(01)和从单片机(06)为主要控制单元，采用模糊自适应PID算法对陀螺仪(05)采集的姿态数据进行计算处理，实现良好的三轴稳定器系统控制，克服了当下传统PID算法控制下系统稳定性差、超调量大、抗干扰能力较弱等特点，提高系统的动态响应速度，增强系统的鲁棒性，减少了因拍摄稳定性和外界干扰对拍摄效果产生的影响，减少了不必的人身伤害。

本中请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本中请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是为本实用新型的三轴稳定器控制系统硬件原理图。

图2是为本实用新型的模糊自适应PID控制器系统原理图。

图3是为本实用新型的软件实现流程图。

具体实施方式

本实用新型实施例针对现有技术中，三轴稳定器稳定性随环境变化不可控、操作不方便的技术问题，提供一种使用安全、操作方便的三轴稳定器。本实用新型实施例提供的三轴稳定器，可以根据外部环境和干扰需求自行调整内部PID控制参数，使得使用者在使用过程中主动性提高，抗干扰增强，安全性提升，同时有效提升了摄影类使用的拍摄效果。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：在传统PID算法控制的基础上增加了智能控制算法-模糊控制，构成Fuzzy-PID的复合控制，并创造性的应用于三轴稳定器系统，是改善三轴稳定器系统的有效途径。在工作时，首先从单片机(06)读取陀螺仪数据，检测连接架(04)的姿态数据；其次比较当前时刻位置信息和主单片机(01)上预先配置的初始数据并计算误差，利用模糊自适应PID算法，按照模糊控制规则对三路的PID控制参数进行选择；最后系统可以根据当前时刻PID控制参数计算出误差输出控制量PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)，发送给驱动模块(02)，实现对连接架(04)姿态误差调整。该闭环控制是在模糊自适应PID算法的基础上完成的，实时性和稳定性相比于传统PID算法控制都得到了提高。该设计将模糊自适应PID算法应用于三轴稳定器系统，使三轴稳定器系统具有了自适应的性能，以达到产品应用的要求，从而提高用户的使用体验，使三轴稳定器的性能优势能得以最大程度的发挥。

以下结合说明书附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。并且在不冲突的情况下，本中请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下结合附图和较佳实施例，对依据本实用新型提供的具体实施方式、结构、特征详述如下：

图1所示实施例中，本实用新型实施例提供的一种基于模糊自适应PID算法的三轴稳定器，包括主单片机(01)、从单片机(06)、驱动模块(02)、步进电机(03)、陀螺仪(05)和连接架(04)，其中主单片机(01)和从单片机(06)电气连接并固定在连接架(04)上，在连接架(04)三个侧面上分别固定一组电气连接的驱动模块(02)和步进电机(03)，各驱动模块(02)均与主单片机(01)电气连接，陀螺仪(05)安装在连接架(04)底部并与从单片机(06)电气连接；其中：

从单片机(06)，用于接收陀螺仪(05)实时监测的连接架(04)的姿态数据、以及主单片机(01)上预先配置的初始数据，基于PID算法对接收到的姿态数据和初始数据进行模糊化处理，选取最佳的PID控制参数，发送给主单片机(01)；

具体实施中，从单片机(06)将陀螺仪(05)实时监测到的连接架(04)的姿态数据(即当前时刻位置信息)、与主单片机(01)上预先配置的初始数据计算误差，利用模糊自适应PID算法，按照模糊控制规则对三轴的PID控制参数进行选择；由于连接架有三个侧面，每一个侧面对应一轴的PID控制参数，因此共得到三轴的PID控制参数。

主单片机(01)，用于根据所述从单片机(06)发送的PID控制参数计算出控制量，并将计算出的控制量发送给驱动模块(02)；

具体实施中，主单片机(01)根据从单片机(06)发送的三轴的PID控制参数分别计算出每一轴的控制量，并将计算出的每一轴的控制量分别发送给对应的驱动模块(02)。

驱动模块(02)，用于根据主单片机(01)发送的控制量，控制对应的步进电机(03)转动，以及利用所述步进电机(03)的转动，实现对连接架(04)的姿态调整；可以理解，驱动模块(02)对应的步进电机(03)是指与本驱动模块(02)电气连接的步进电机(03)。

具体实施中，主单片机(01)和从单片机(06)通常固定在连接架(04)顶部。

具体实施中，每一个驱动模块(02)通常固定在对应步进电机(03)的尾部。

所述驱动模块(02)具体用于根据主单片机(01)发送的控制量，产生相应的PWM控制波形发送给步进电机(03)，所述PWM控制波形用以实现对步进电机(03)转动控制。

较佳的，陀螺仪(05)水平安装或者垂直安装在连接架(04)底部的中心位置。

具体实施中，三轴稳定器可以采用ST(意法半导体)公司Cortex-M4内核的STM32系列作为主单片机(01)和从单片机(06)，连接架(04)安装有Inventor Sense公司的MPU-6050陀螺仪(05)芯片，用于从单片机(06)读取连接架(04)实时的姿态数据，步进电机(03)可以使用马达GM2805H，用于调节连接架(04)姿态。

在工作时，首先从单片机(06)通过IO口读取陀螺仪(04)采集的数据，通过检测实时连接架(04)三轴姿态数据，比较当前时刻连接架(04)姿态数据和主单片机(01)上预先配置的初始数据，计算实时姿态误差，利用从单片机(02)中模糊自适应PID算法，按照其模糊控制规则对三轴(YAW轴、PITCH轴、ROLL轴)的PID控制参数进行选择；然后将选择好的PID控制参数传输给主单片机(01)进行处理、判断当前系统状态，并根据当前时刻PID控制参数计算输出控制量PWM，发送给驱动模块(02)，实现对连接架(04)姿态误差调整。该闭环控制是在模糊自适应PID算法的基础上完成的，实时性和稳定性相比于传统PID算法控制都得到了提高。

图2所示实施例中，模糊自适应PID控制器原理是该系统控制算法的核心，是在传统PID算法基础上的改进。传统PID控制器是线性结构的，该控制会根据给定参数R(t)和输出值Y(t)作比较，计算出实时误差函数：

e(t)＝R(t)-Y(t) (1)

其中式中：K：采样序列，K＝0，1，2，3...；μ(k)：第k次采样时刻控制器输出值；e(k)：第k次采样时刻输入的误差值；Δe(k)：第k次采样时刻输入的误差变化率；Kp：比例系数；Kp：积分系数；Kd：微分系数；

而模糊自适应PID算法，融合了传统PID算法简单有效和模糊控制规则的准确控制的优点。模糊自适应和传统PID算法的结合应用在三轴稳定器系统中，改进了稳态控制精度并且提高了智能水平和系统适应环境的能力。其中模糊控制器是模糊自适应PID算法的主要组成部分，模糊控制规则决定了PID控制参数选择的方法。

图3所示实施例中，模糊自适应PID算法应用于三轴稳定器系统的软件实现流程图，是在主单片机(01)和从单片机(06)硬件系统的基础上对控制算法进行实现。该软件设计主要分为控制部分和检测部分，控制部分是指利用主单片机(01)输出用户不同模式选择下的PWM波形，以控制步进电机(03)实时对连接架(04)姿态的调整，检测部分是指利用从单片机(06)实时读取陀螺仪(05)的实时姿态数据，以达到实时对连接架(04)姿态的检测和数据获取。在软件控制系统中，系统初始化主要包含了对连接架(04)初始化姿态检测，对主单片机(01)和从单片机(06)时钟寄存器等端口进行初始化配置，其中用户选择工作模式包含三种系统工作模式：保持模式、跟随模式、初始化角度调节模式。程序控制的后半部分则是参数检测部分，为算法提供有效地实时系统参数数据。

本实用新型提供的基于模糊自适应PID算法的三轴稳定器，将基于模糊自适应PID算法的从单片机(06)应用在由主单片机(01)、驱动模块(02)、步进电机(03)、连接架(04)、陀螺仪(05)组成的三轴稳定器中，以主单片机(01)和从单片机(06)为主要控制单元，采用模糊自适应PID算法对陀螺仪(05)采集的姿态数据进行计算处理，实现良好的三轴稳定器系统控制，克服了当下传统PID算法控制下系统稳定性差、超调量大、抗干扰能力较弱等特点，提高系统的动态响应速度，增强系统的鲁棒性，减少了因拍摄稳定性和外界干扰对拍摄效果产生的影响，减少了不必的人身伤害。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。