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作者：山东交通学院信息科学与电气工程学院 郝东亮 贾旭 周长森
指导教师：韩耀振 潘为刚

　　作品简介　　

　　二自由度云台是在机器人和自动控制、机器视觉以及工业控制领域中常用的一种执行器。云台控制命令的来源可以是多种多样的，本作品根据装有三轴加速度传感器的主控平台的状态来控制二自由度云台指向空间任意方向，最终实现全方位随动云台。

　　系统结构图如下：　　

 　　本作品由主控平台随动操作被控云台，当主控平台转过任意一个空间角度，云台在舵机和步进电机的带动下都能跟随主控平台转过相应的角度达到与其方向一致。

　　那么，在使用该随动云台来控制设备的指向(如摄像头的视角方向等)就非常方便了，只要简单的初始校正工作，就可以达到“随心所欲”“指哪打哪”的效果。当然也可以将传感器或是执行机构通过射频或蓝牙模块做成远程随动控制更能突显其控制效果。

　　平台选型说明

        STC15F2K60S2单片机是宏晶科技有限公司的典型单片机产品，采用了增强型8051内核，片内集成：60KB Flash程序存储器、1KB数据Flash(EEPROM)、2048B RAM、3个16位可自动重装载的定时/计数器(T0、T1和T2)、可编程时钟输出功能、至多42根I/O口线、2个全双工异步串行口(UART)、1个高速同步通信端口(SPI)、8通道10位ADC、3通道PWM/可编程计数器阵列/捕获/比较单元(PWM/PCA/CCU/DAC)、MAX810专用复位电路和硬件看门狗等资源。另外，STC15F2K60S2单片机内部还集成了高精度R/C时钟，可以省去外部晶振电路，单芯片就是最小应用系统，真正实现了一片芯片就是一台“单片机”的梦想。STC15F2K60S2单片机具有在系统可编程(ISP)功能和在线调试功能，可以省去价格较高的专门编程器，开发环境的搭建非常容易。

　　IAP15F2K61S2可直接当仿真器，特别适合教学和参赛用，售价也只有6元人民币，定时器只需要学习一种模式，模式0(16位自动重装载)即可，解决了8051单片机长期以来虽有四种模式，却定时不准和定时不够长的问题，并且串行口也做了重大改进，既简单方便，又速度快。

　　设计说明

         原理图：　　

 　　设计原理：　　

 　　如图为主控平台转动方向分析图。向量 为平台正方向的指向，初始状态 与x轴正向重合。当其转过空间角γ以后，向xy平面投影为向量 ′。将这个转过的角度沿y-z平面和 -x轴平面分解得到角α和角γ。

　　只要得到这两个角的具体值，就可以让步进电机转动角α，舵机转动角γ，从而让被控云台也指向向量 的方向。　　

 　　　上图是三轴加速度传感器上重力的分解图。传感器初始时，重力在x轴和y轴上没有分量。当y轴相对于水平面(重力方向)转过α角时如图所示，可以用y1与重力大小关系求出角α来：

 　　图6中的β就是图5中的β角，而舵机需要转过的角为γ。通过几何关系的推导不难得出：　　

 　　这样就利用传感器输出的信号最终计算得出了步进电机需要转过的角度α和舵机需要转过的角度γ。

　　设计方案;
　　系统的传感器采用数字式16位三轴加速度传感器MMA8451模块，该模块具有精度高、自修正等优点，可保证测角精度 度，使得信号的采集更加精准、稳定。步进电机的驱动采用TB6560模块，由它控制两相混合励磁式步进电机可实现多种细分，最小步距角可达 ，从而提高系统执行机构的精度。

　　作品特色

         该作品的被控云台转动角度广，跟随速度快、精度高，可视性好，被控云台台完全跟随主控平台的操作，可以很容易的通过观察主控平台的位置，而知道被控平台的情况，从而做到不用到现场的完全控制。我们可以把这个平台应用到监控摄像头以及打靶机上，可以实现很好的效果。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2292