摘 要

近年来，陀螺仪技术在我们日常生活中有了越来越多的应用，而其在稳定平台上的应用是最有前景的发展方向之一，为了提高稳定平台的智能化和控制性能，本文设计了一个智能陀螺仪系统。

本文针对陀螺仪在稳定平台上的智能感知等技术需求，设计了一个智能陀螺仪系统，从平台结构设计、软硬件设计、控制原理等方面对陀螺仪系统进行阐述。文中首先通过SOLIDWORKS设计了平台的机械结构，随后进行电机的建模与选型；然后设计了电机位置PID控制算法并用SIMULINK进行仿真验证了其可行性；随后设计了以STM32和MPU6050陀螺仪为核心的感知系统，完成了上位机和STM32通讯、MPU6050和STM32通讯、步进电机八拍驱动以及彩色显示屏显示等功能设计；最后进行了误差分析，设计了减小陀螺仪输出误差的滤波器。

该系统能够实现平台在方位轴和俯仰轴方向的两个角度信息的智能获取与显示以及对于其角度的跟踪控制，并且控制性能通过使用广泛的PID算法得到了很大的提升。最后通过设计数字低通滤波器可使陀螺仪信号的噪声大大减小，提高姿态信息的真实性和可靠性。该设计作为智能陀螺仪系统，可以广泛应用飞行器姿态监控以及电子稳像等领域。

关键词：MPU6050、STM32、稳定平台

Abstract

Currently, the technology of MEMS gyroscope has more and more implications in our daily life. Among all the area that involves MEMS gyroscope, the stable platform is one of the most promising area. In order to improve the intelligence and control performance of the stable platform. The dissertation designs an intelligent gyroscope system.

Aiming at the technical needs of intelligent detection of stable platform, the dissertation presents an intelligent MEMS gyroscope system. By designing the structure of platform, software,hardware and control method, I complete the whole system. To start with, the dissertation using SOLIDWORKS to design the mechanical structure and complete the modeling of the motor based on the structure I built. Secondly, the PID control algorithm has been applied to the position control of the motor and the algorithm has been modeled by the system established by SIMULINK. Thirdly, the dissertation presents a detection system based on STM32 and MPU6050, complete the design of the communication between PC and STM32, the communication between MPU6050 and STM32, Step motor eight beat drive and LCD liquid crystal screen. At the end of the dissertation, I analyze the error of the system and present a filter to reduce the error of the MEMS gyroscope output.

This system is able to intelligently detect the angle information of both azimuth axis and pitch axis and also control the angle of them. The control performance of the system is widely improved by the PID algorithm. The low pass filter is designed to minimize the noise of the output signal of MPU6050 and improve the authenticity and reliability of the system. This design as a intelligent gyroscope system can be widely used in attitude detection system, electronic image stabilization and other area.

Keywords：MPU6050, STM32, stable platform

目录

第1章 绪论 1

1.1 基于陀螺仪的稳定平台的研究意义 1

1.2 稳定平台研究现状 1

1.3 论文的主要研究内容 1

第2章 基于陀螺仪的稳定平台系统设计 2

2.1 稳定平台系统构成 2

2.2 稳定平台机械结构设计 3

2.3 稳定平台姿态感知与跟踪控制原理 3

2.3.1 稳定平台姿态感知原理 3

2.3.2 稳定平台跟踪控制原理 4

2.4 电机建模与具体选型 4

2.4.1 电机选型与计算 4

2.4.2 电机建模 7

2.5 本章小结 7

第3章 控制系统设计 9

3.1 控制系统组成 9

3.2 控制算法原理与选择 9

3.3 控制系统仿真 10

3.4 本章小结 12

第4章 稳定平台系统软硬件设计 13

4.1 主要芯片选择 13

4.1.1 控制器选择 13

4.1.2 陀螺仪选择 13

4.1.3 步进电机驱动器选择 14

4.1.4 液晶显示屏选择 15

4.2 稳定平台系统硬件设计 16

4.2.1电源设计 16

4.2.2 STM32与MPU6050连接 16

4.2.3 STM32与步进电机驱动器连接 17

4.2.4 STM32与编码器连接 17

4.2.5 整体样机展示 18

4.3 本章小结 18

第5章 稳定平台软件设计 19

5.1 软件模块流程图 19

5.2 STM32与陀螺仪通讯 19

5.2.1 IIC介绍 19

5.2.2 MPU6050配置步骤 20

5.2.3 使用DMP进行姿态计算 21

5.3 STM32与上位机通讯 22

5.4 电机驱动 22

5.5 PID控制算法 23

5.6 显示屏显示 26

5.7 稳定平台系统上位机设计 26

5.8 本章小结 28

第6章 误差分析与处理 29

6.1 陀螺仪输出信号分析 29

6.2 陀螺仪信号误差处理 29

第7章 结论与展望 32

参考文献.............................................................................................................................. 33

致谢...................................................................................................................................... 34