xyz三坐标云台系统设计(附件)
摘 要云台是安装、固定摄像头的一种装置，其主要应用于安防监控等场所。设计出一种体积小、结构简单、价格低廉的云台对社会具有极大的意义。本文主要对云台的机械结构部分进行设计，让云台拥有体积小、质量轻的特点。水平方向的执行机构为齿轮机构，竖直方向的执行机构为曲柄摇杆机构，并用Solid Works对设计的机械结构进行三维仿真。水平方向和竖直方向均采用步进电机作为本系统的驱动部件，检测机构主要使用了价格低廉的增量式光电编码器，来进行速度和位置的控制。鉴于要求云台体积小、质量轻、价格低，又要能够精准的控制，则选用单片机作为本系统的控制器。在执行机构、驱动机构、检测机构、控制机构等的组成下，XYZ三坐标云台便形成了一个有效的、智能的机电一体化产品。
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2云台的研究意义 1
1.3课题综述 1
第二章 XYZ三坐标云台的机械结构设计 3
2.1引言 3
2.2 XYZ三坐标云台的机械结构设计 3
2.2.1XYZ三坐标云台传动机构的选择 3
2.2.2XYZ三坐标云台受力分析 4
2.2.3XYZ三坐标云台水平方向机械结构设计 5
2.2.4XYZ三坐标云台俯仰方向机械结构设计 8
2.3本章小结 9
第三章 XYZ三坐标云台的控制系统设计 12
3.1引言 12
3.2运动过程分析 12
3.3 XYZ三坐标云台驱动部件的选择 13
3.3.1电机的选择 13
3.3.2步进电机的选型 14
3.3.3驱动器的选型 14
3.4 XYZ三坐标云台检测装置的选择 15
3.4.1速度控制 15
3.4.2位置控制 15
3.5 XYZ三坐标云台的控制器的选择： 16
3.6单片机控制原理 17
3.7 XYZ三坐标云台系统硬件连接图 17
3.8 XYZ三坐标云台的软件系统设计 19
3.9本章小结 25
结束语 26
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
致 谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1引言
安防和监控行业中运用的监控器由云台和摄像头组成，摄像头是安装在云台上的，摄像头的拍摄范围可通过摄像头的指向决定，而指向是由摄像头相对于云台的XYZ三坐标决定。因此，通过调整云台水平轴和俯仰轴的旋转可实现摄像头XYZ三坐标的调节。其目的就是扩大捕捉范围，用于动态摄像的场合和环境，让采集信息的过程更加方便、直接，内容更加丰富。
1.2云台的研究意义
云台作为一种设备载体，其本身体积会影响他所需的安装空间的大小。云台本身的重量也会增加平台的负担，因此必须要求云台体积小，质量轻，结构简单，安装容易[23]。
由于云台应用的环境越来越复杂，对云台精度的要求也就越来越高，对其速度的控制，移动最小角度的控制也就要做到精细。只有精度能满足要求，才能使云台更好的应用于军事、安防等系统中。
随着现代化技术的发展，集成程度不断提高，智能化程度也不断提升。安装在移动机器人上的摄像机云台，要求能够有高的稳定性，使画面清晰，避免晃动。如果云台搭载的信号处理平台能实时采集图像数据，并能够驱动摄像机追踪定位，那将会更适合应用在安防监控领域[23]。
一般驱动模块放置在云台内部，控制模块则安置在云台外部，像控制箱、控制台等；两者通过电缆进行连接。但是这种连接方式在自主移动的平台上运用就很受限制，电缆线会限制其自主移动的空间。因此需要一个集成的控制模式，使其实现远程无线控制。
1.3课题综述
课题XYZ三坐标云台系统设计，即对云台的机械结构和控制系统进行设计。所谓XYZ三坐标云台，就是指摄像头的指向在XYZ空间坐标的位置，示意图如下图1.1所示：
图1.1 XYZ三坐标示意图
若图中M点为摄像头的位置，则该位置由M点投影在XOY平面内的点和M点投影在YOZ平面内的点共同决定。图中所示的XOY平面相当于本设计中的水平方向平面，YOZ平面相当于本设计中的俯仰方向平面。要想确定摄像头在空间的位置，即确定其在水平方向的位置和俯仰方向的位置即可。
为了解决云台体积大、结构复杂、无法实时调速的问题，本课题设计的XYZ三坐标云台系统要实现以下功能：
云台的水平旋转角度 100°~+100°；垂直运动角度控制在0°~90°；
水平轴转速：2°/s ~5°/s；俯仰轴转速：2°/s ~5°/s；额定负载2kg；房顶安装。
本课题的任务主要分为以下五个阶段完成。
第一、分析云台发展的背景和云台应用的意义，阐述云台的研究概况及发展趋势。
第二、对云台的总体方案进行阐述，并对个部分进行方案论证。
第三、对云台的机械结构设计即云台水平轴和俯仰轴的传动所用的齿轮等传动结构进行三维绘图，对驱动电机进行选型和校核。绘制机械图、零件图等。
第四、对云台系统硬件的总体方案的设计、伺服电机驱动电路的设计和位置和速度检测系统的设计。
第五、对云台的软件进行设计，设计出软件的流程图和软件程序。
第二章 XYZ三坐标云台的机械结构设计
2.1引言
XYZ三坐标云台的设计和研究主要是要解决两个问题：一、云台的体积小、质量轻；二、云台的精准控制和实时传输。
XYZ三坐标云台系统的机械结构设计主要在于云台内部各零部件的紧密配合，而其外观要求体积小、质量轻，就不能像传统的云台一样，一味追求良好的抗压性和防震性而选用重金属材料。设计时要着重考虑传动机构、执行机构的重心平衡，同时还要考虑其外壳的材料和加工工艺。要保证云台的轻巧，在对电机、编码器、驱动器等进行选型的时候也要考虑其体积、重量、尺寸等问题。
XYZ三坐标云台的运动控制的设计直接影响了云台的性能，本文中对运动过程的控制就是对水平和竖直方向电机的控制。控制的要求就是快、准、稳；即XYZ三坐标云台响应速度快、反馈精准、系统稳定。因此一般云台采用闭环控制，以此使速度能够快速反馈，并使用PID调节，来保障对云台的精准控制。
2.2XYZ三坐标云台的机械结构设计
XYZ三坐标云台的设计正如上以章所提到的那样，要想确定其空间位置，即确定其在XOY平面和YOZ平面的位置；也就是说，云台在三坐标空间的位置由水平方向的运动和俯仰方向的运动共同决定。本章主要对云台的水平方向和俯仰方向的机械结构进行设计和分析。
2.2.1XYZ三坐标云台传动机构的选择
在实际的使用过程中，云台的水平轴转速和俯仰轴的转速都比较低，因此大多需要采用低速电机。但是电机转速越低，其体重和体积均会增加，相应的价格也会变高。我们要求云台的体积小、质量轻则要选一个转速较高的电机，但是电机转速高，所需的传动比就越大，系统就越复杂。此时就需要一个合理的传动系统，一方面降低电机的转速，另一方面提高电机的输出力矩，从而来实现负载功率匹配。
传动方式有很多种类，如带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动等，表2.1给出了常见的传动装置的性能比较：[22]
表2.1 四种典型的传动方式的性能比较
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2云台的研究意义 1
1.3课题综述 1
第二章 XYZ三坐标云台的机械结构设计 3
2.1引言 3
2.2 XYZ三坐标云台的机械结构设计 3
2.2.1XYZ三坐标云台传动机构的选择 3
2.2.2XYZ三坐标云台受力分析 4
2.2.3XYZ三坐标云台水平方向机械结构设计 5
2.2.4XYZ三坐标云台俯仰方向机械结构设计 8
2.3本章小结 9
第三章 XYZ三坐标云台的控制系统设计 12
3.1引言 12
3.2运动过程分析 12
3.3 XYZ三坐标云台驱动部件的选择 13
3.3.1电机的选择 13
3.3.2步进电机的选型 14
3.3.3驱动器的选型 14
3.4 XYZ三坐标云台检测装置的选择 15
3.4.1速度控制 15
3.4.2位置控制 15
3.5 XYZ三坐标云台的控制器的选择： 16
3.6单片机控制原理 17
3.7 XYZ三坐标云台系统硬件连接图 17
3.8 XYZ三坐标云台的软件系统设计 19
3.9本章小结 25
结束语 26
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
致 谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1引言
安防和监控行业中运用的监控器由云台和摄像头组成，摄像头是安装在云台上的，摄像头的拍摄范围可通过摄像头的指向决定，而指向是由摄像头相对于云台的XYZ三坐标决定。因此，通过调整云台水平轴和俯仰轴的旋转可实现摄像头XYZ三坐标的调节。其目的就是扩大捕捉范围，用于动态摄像的场合和环境，让采集信息的过程更加方便、直接，内容更加丰富。
1.2云台的研究意义
云台作为一种设备载体，其本身体积会影响他所需的安装空间的大小。云台本身的重量也会增加平台的负担，因此必须要求云台体积小，质量轻，结构简单，安装容易[23]。
由于云台应用的环境越来越复杂，对云台精度的要求也就越来越高，对其速度的控制，移动最小角度的控制也就要做到精细。只有精度能满足要求，才能使云台更好的应用于军事、安防等系统中。
随着现代化技术的发展，集成程度不断提高，智能化程度也不断提升。安装在移动机器人上的摄像机云台，要求能够有高的稳定性，使画面清晰，避免晃动。如果云台搭载的信号处理平台能实时采集图像数据，并能够驱动摄像机追踪定位，那将会更适合应用在安防监控领域[23]。
一般驱动模块放置在云台内部，控制模块则安置在云台外部，像控制箱、控制台等；两者通过电缆进行连接。但是这种连接方式在自主移动的平台上运用就很受限制，电缆线会限制其自主移动的空间。因此需要一个集成的控制模式，使其实现远程无线控制。
1.3课题综述
课题XYZ三坐标云台系统设计，即对云台的机械结构和控制系统进行设计。所谓XYZ三坐标云台，就是指摄像头的指向在XYZ空间坐标的位置，示意图如下图1.1所示：
图1.1 XYZ三坐标示意图
若图中M点为摄像头的位置，则该位置由M点投影在XOY平面内的点和M点投影在YOZ平面内的点共同决定。图中所示的XOY平面相当于本设计中的水平方向平面，YOZ平面相当于本设计中的俯仰方向平面。要想确定摄像头在空间的位置，即确定其在水平方向的位置和俯仰方向的位置即可。
为了解决云台体积大、结构复杂、无法实时调速的问题，本课题设计的XYZ三坐标云台系统要实现以下功能：
云台的水平旋转角度 100°~+100°；垂直运动角度控制在0°~90°；
水平轴转速：2°/s ~5°/s；俯仰轴转速：2°/s ~5°/s；额定负载2kg；房顶安装。
本课题的任务主要分为以下五个阶段完成。
第一、分析云台发展的背景和云台应用的意义，阐述云台的研究概况及发展趋势。
第二、对云台的总体方案进行阐述，并对个部分进行方案论证。
第三、对云台的机械结构设计即云台水平轴和俯仰轴的传动所用的齿轮等传动结构进行三维绘图，对驱动电机进行选型和校核。绘制机械图、零件图等。
第四、对云台系统硬件的总体方案的设计、伺服电机驱动电路的设计和位置和速度检测系统的设计。
第五、对云台的软件进行设计，设计出软件的流程图和软件程序。
第二章 XYZ三坐标云台的机械结构设计
2.1引言
XYZ三坐标云台的设计和研究主要是要解决两个问题：一、云台的体积小、质量轻；二、云台的精准控制和实时传输。
XYZ三坐标云台系统的机械结构设计主要在于云台内部各零部件的紧密配合，而其外观要求体积小、质量轻，就不能像传统的云台一样，一味追求良好的抗压性和防震性而选用重金属材料。设计时要着重考虑传动机构、执行机构的重心平衡，同时还要考虑其外壳的材料和加工工艺。要保证云台的轻巧，在对电机、编码器、驱动器等进行选型的时候也要考虑其体积、重量、尺寸等问题。
XYZ三坐标云台的运动控制的设计直接影响了云台的性能，本文中对运动过程的控制就是对水平和竖直方向电机的控制。控制的要求就是快、准、稳；即XYZ三坐标云台响应速度快、反馈精准、系统稳定。因此一般云台采用闭环控制，以此使速度能够快速反馈，并使用PID调节，来保障对云台的精准控制。
2.2XYZ三坐标云台的机械结构设计
XYZ三坐标云台的设计正如上以章所提到的那样，要想确定其空间位置，即确定其在XOY平面和YOZ平面的位置；也就是说，云台在三坐标空间的位置由水平方向的运动和俯仰方向的运动共同决定。本章主要对云台的水平方向和俯仰方向的机械结构进行设计和分析。
2.2.1XYZ三坐标云台传动机构的选择
在实际的使用过程中，云台的水平轴转速和俯仰轴的转速都比较低，因此大多需要采用低速电机。但是电机转速越低，其体重和体积均会增加，相应的价格也会变高。我们要求云台的体积小、质量轻则要选一个转速较高的电机，但是电机转速高，所需的传动比就越大，系统就越复杂。此时就需要一个合理的传动系统，一方面降低电机的转速，另一方面提高电机的输出力矩，从而来实现负载功率匹配。
传动方式有很多种类，如带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动等，表2.1给出了常见的传动装置的性能比较：[22]
表2.1 四种典型的传动方式的性能比较
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/jdgc/1013.html
