论文总字数：22495字

摘 要

为了隔离运动载体对光电设备的扰动影响，使得物体能相对惯性空间保持稳定，往往使用惯性稳定平台。稳定平台通过测量运动载体的姿态变化，使平台维持相对惯性坐标系稳定的状态，由于该技术具有隔离载体扰动，保持平台光电设施视轴稳定的特点，因此该技术被广泛应用于军事和民用方面。

本文首先介绍了所设计的单轴稳定平台的工作原理。然后从硬件、软件和算法方面进行了介绍。

在硬件方面，重点介绍了包括主控制器最小系统、姿态信息采集电路、舵机电路在内的器件选型和电路设计。在软件方面，介绍了硬件设备的驱动程序和上位机的控制程序。在算法方面，介绍了卡尔曼滤波算法和PID控制算法，分别实现了提高传感器数据的准确度以及对单片机输出的PWM控制功能。

最后，通过Labview上位机软件对系统进行了稳定测试，并对不同PID参数值下的测试结果进行了比较分析。

关键词：惯性稳定平台；kalman滤波；PID控制；LabVIEW

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A SINGLE AXIS STABILIZED PLATFORM BASED ON STM32

Abstract

Stabilized platform can be used effectively to isolate the disturbance from the motion platform and to maintain the stability between dynamic load and inertia space, so it is becoming increasingly useful as attitude and bearing references, as fire control baselines for ships or aircrafts, and for inertial navigators. The principal function of the stable platform is to establish a suitable reference or coordinate system that relates the vehicle's spatial motion to some point on the earth.

Firstly, the working principle of the designed single-axis stabilized platform are described and presented in this paper. Then, the hardware, software and algorithm shall be discussed separately.

In its hardware design, the selection and circuit design of the device including the minimum system of the master controller, the attitude signal acquisition circuit and the steering gear circuit are mainly introduced. In the aspect of software, the hardware device driver and the control program of the host computer are introduced. In the algorithm design, this paper introduces the kalman filter algorithm and PID control algorithm, respectively, to achieve the attitude signal of the sensor data and control output PWM of the microcontroller.

Finally, LabVIEW host computer software tested the stability of the system, and the test results of different PID parameters were compared and analyzed.

KEY WORDS: Stabilized platform, kalman filter, PID control, LabVIEW

目 录

摘要 …………………………………………………………………………………………… Ⅰ

Abstract …………………………………………………………………………………… ...Ⅱ

第一章 绪 论 5

1.1课题研究的背景与意义 5

1.2国内外稳定平台的研究现状 6

1.3论文研究内容与章节安排 7

第二章 单轴稳定平台总体设计方案 9

2.1稳定平台工作原理 9

2.2稳定控制系统的硬件方案 9

2.2.1硬件芯片选型 9

2.2.2硬件电路总体框架 11

2.3稳定控制系统的软件方案 11

2.3.1稳定控制系统的下位机软件规划 11

2.3.2 LabVIEW上位机软件 12

2.4稳定平台系统的控制策略 12

2.4.1 kalman算法原理 12

2.4.2 PID算法原理 13

2.5本章小结 16

第三章 单轴稳定平台控制系统的硬件设计 16

3.1平台姿态信息传感器应用电路设计 16

3.2微处理器核心电路设计 17

3.2.1电源模块设计 17

3.2.2 JTAG调试接口电路设计 17

3.3通信接口电路设计 17

3.4 舵机控制电路设计 18

3.5 总体电路图 18

3.6 本章小结 19

第四章 嵌入式控制系统软件设计 20

4.1硬件设备驱动程序设计 20

4.1.1 MPU6050驱动程序 20

4.1.2串口通信驱动程序 21

4.2舵机控制程序 22

4.3 上位机程序设计 22

4.4本章小结 24

第五章 单轴稳定平台的试验验证 25

5.1 平台搭建 25

5.2稳定实验平台的试验过程及结果 25

5.3 本章小结 27

结 论 28

致 谢 29

参考文献（References） 30

第一章 绪 论

1.1课题研究的背景与意义

从上世纪至今，随着光电效应、通信的理论越发成熟，光电跟踪、军事侦察、遥感平台、卫星通信、火炮稳定等设备也获得了越来越广泛的应用0。通常情况下，安装上述设备的载体是运动的，因此光电设备会被载体的运动状态干扰，使得最终成果不尽如人意。所以，为提高系统效率，人们便将设备安装在稳定平台上来隔离扰动。稳定平台系统通过测量运动载体的姿态变化，使平台维持相对惯性坐标系稳定的状态，由于该技术具有隔离载体扰动，保持平台光电设施视轴稳定的特点[2]，因此该技术被广泛应用于军事和民用方面。

在军事方面，稳定平台主要有以下功能：将武器瞄准系统隔离载体振动，提高系统瞄准准确度；保持可视与红外相机的稳定，以用来侦查军事目标、测绘以及为环境勘测提供高分辨度的图像等。坦克在行进过程中对武器系统的火炮射击与瞄准的精度有较高要求，但是由于行进过程中受路面颠簸影响，要想提高瞄准射击精度，使系统与惯性空间无较大波动，通常使用陀螺稳定平台来隔离坦克的运动干扰[3]。在卫星信号接收器中也用到了惯性平台：有时信号接收器必须保持相对惯性空间稳定，但由于卫星的旋转导致其不稳定性，只有通过惯性稳定平台隔离单一自由度的旋转，保证接收器相对于惯性坐标系内保持稳定。图1.1的哈勃空间望远镜就是一个陀螺稳定系统，它可以在几毫角秒的精度范围内对准遥远的恒星和星系并保持视轴在这个角度上下稳定以避免模糊放大的图像[2]。

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