随着科学技术的进步和发展,搭载成像设备的云台已成为智能监控系统的重要组成部分,其中成像设备可以获取内容丰富的图像信息,云台可以实现多个自由度的运动,这样智能监控系统就可以通过云台的运动调整视野观察范围,实时获取包含目标信息的图像序列,结合有效的图像算法可以实现对目标的识别、监测和动态跟踪,因此对云台系统相关技术的研究具有非常重要的应用价值。本文主要研究了一种用于实现动态跟踪的直流无刷电机驱动的双自由度云台系统,就双自由度云台系统的机械结构设计、非线性补偿和控制器设计展开了论述和研究。首先,本文介绍了双自由度云台的机械结构设计和硬件选型过程。通过分析传统云台的优缺点以及本文实验需求,从结构设计和运动控制系统两方面介绍云台系统的设计过程,一方面保证云台系统体积小巧、装配简单,另一方面保证云台系统的运行有良好的硬件基础,其中结构设计中的传动方案采用带传动,动力来源选择直流无刷电机。其次,本文以双自由度云台水平方向运动系统为例说明了系统建模与分析的过程。对系统输入输出的特性的掌握和建立准确的系统模型是控制器设计的基础,本文先结合机理法和实验法对系统输入输出特性进行分析与描述,然后针对系统存在的非线性进行补偿,并通过实验验证了补偿的有效性,通过伪随机响应实验和子空间辨识算法得到了线性工作区间的传递函数模型,然后对系统模型进行降阶以方便控制器设计,并对系统的不确定性进行了分析和描述。最后,在系统建模与分析的基础上,将系统环路分为速度环和图像环进行控制器设计,先设计基于内模扩展的LQR输出反馈控制器提高系统的扰动抑制性能和跟踪性能,并给出系统存在加性不确定性情况下控制器参数需满足的鲁棒稳定性约束条件,然后基于模型匹配算法设计扰动前馈控制器,为避免控制器阶次过高,图像环采用PI控制器,本文对所设计的控制器均在MATLAB中进行仿真分析,结果表明本课题所设计控制器能保证双自由度云台系统具有良好的跟踪性能和抗扰性能。