一種多旋翼無人機三軸穩定云臺的設計*

宋 科(昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650500)

0 引 言

近年來，隨著飛行器控制技術、微型傳感器技術和高度集成處理器技術的快速發展和推廣應用，多旋翼無人機逐步向高效、多功能化方向發展，因其具有操作簡單方便、易于裝配維修和結構簡單等特點迅速成為無人機中的新貴，并廣泛應用于航空航海、軍事、警用民用、農林等多個領域[1-4]。穩定云臺作為無人機平臺上的重要部件，已被世界各國廣泛研究與應用。例如，以色列軍方研制的MOSP云臺系統，英國的Phoenix云臺系統，美軍“捕食者”戰略無人機上裝備的“天球”云臺系統等[5]。穩定云臺可搭載多種傳感器和光學精密儀器，其主要用于民用航拍、地形測繪、反恐偵察、目標跟蹤識別等用途[6]。然而，隨著多旋翼無人機的快速發展和對其功能要求的不斷提高，一些傳統的穩定云臺已經不能滿足其發展的需要。首先，多旋翼無人機在高速移動或者轉向的情況下，機身往往受到來自外部環境產生的振動和偏移，從而造成航拍圖像的不穩定，畫面出現橫紋、斷層現象甚至偏離拍攝目標。其次，由于傳統云臺重量較大且結構穩定性不佳，在對無人機造成較大負荷的同時也不利于航拍畫面質量的提高。

因此，為了更好地實現對航拍目標的不間斷、高質量的實時視頻畫面傳輸，本研究借助數字化設計技術和計算機仿真技術，以小巧、易裝配及輕量化為目標導向設計一款以多旋翼無人機為搭載平臺的小型三軸穩定云臺，并對其結構進行靜力學校核和動力學分析。

1 云臺的結構設計

無人機穩定云臺為了滿足功能需求應該具有以下兩個方面的特點：首先，根據遙控信號及時調整系統姿態。其次，處理并應對來自無人機飛行過程中產生的振動并隨即做出位移補償以便達到穩像的功能。

云臺控制系統主要由主控器電路板、MPU6050傳感器、電機驅動器和直流無刷電機組成。主控器電路板安裝在懸架上負責處理來自三軸的加速度與姿態信號。首先，在云臺工作時受到來自外部環境產生的振動和偏移時，安裝在相機殼體內的MPU6050姿態控制傳感器將感知并實時捕捉相機殼體運行過程中產生的偏移角度和橫軸、縱軸、俯仰軸3個坐標軸上的角度偏移和震動狀況，并將相應的角度和加速度信號傳遞給主控器電路板[7]，通過主控器電路板中的姿態解算器模塊與PID控制器模塊的處理，將反饋信號傳遞給三軸上的電機驅動器輸出PWM信號，隨即對無刷直流電機進行橫軸、縱軸、俯仰軸上的位移和角度的調整，以此達到穩像的目的。

圖1 云臺控制系統流程圖

為了滿足上述要求，云臺往往需要一配套的機械結構來實現其具體的功能。云臺結構如圖2所示。

圖2 無人機云臺結構圖

其主要結構設計如下：

(1)相機殼體結構(圖2中標號1)。起到保護相機、傳感器等電子元件的作用，內部安裝微型CCD高清相機來傳輸高質量的圖像信號；

(2)支撐結構(圖2中標號2)。與無人機機體直接連接，作為云臺系統的底座，其主要功能是保護主控器電路板、固定安裝俯仰電機和支撐云臺的其他零部件；

(3)減振結構(圖2中標號3)。通過柔性結為云臺吸收來自無人機在運行過程中產生的振動；

(4)旋轉連接結構(圖2中標號4)。為云臺提供3個軸方向上旋轉支撐和動力，各軸節點上裝配有符合規格的微型直流無刷電機以確保云臺系統的位移補償，同時為其余電子元件和無刷電機提供保護。

1.1 云臺主體結構的材料選擇

除了相機、無刷電機和其他電子元件外，云臺的主體結構還需要大量的支撐零件來進行連接與固定。這些零件通過Inventor軟件設計出來，之后將通過數控機加工成型，構成云臺的主體結構。本研究設計的云臺不同結構件共有13件，通過對這些零件的結構和用途的分析來選擇適合的材料，材料的性能好壞將直接影響到整個系統的運行。因此，在選擇材料的時候應考慮如下幾點要求：

20世紀80年代以來，越來越多的攝影藝術家開始采用“設計”的方式進行創作。他們有意識地跟隨廣告業照亮的道路，運用想象與才智掙脫了古典現代主義的束縛。他們不是在現實世界中尋找主題，直接“拍攝”，而是選擇自行“創造”一個全新的視覺世界。

(1)材料必須易加工成型，便于裝配；

(2)云臺在工作狀態下承受交變載荷和隨機振動的多重影響，因此在材料的選擇上必須使用比強度較高的材料，這樣既可以滿足強度、剛度和耐久度的要求，同時也滿足了云臺輕量化的設計要求。

因此，本研究選擇鋁合金作為云臺結構中直接承載零件的材料和起保護作用的相機殼體的材料，而選擇ABS作為云臺結構間接承載和不承載的零件材料，同時選擇橡膠作為柔性結減震部分的零件材料。定位軸和滾珠軸承采用定制的2Cr13專用材料。

3種材料的力學性能如表1所示。

表1 3種材料的力學性能

云臺主要結構件材料匹配如表2所示。

表2 零件材料匹配

1.2 云臺相機殼體結構的設計

相機殼體結構的設計既要考慮實用性,也要考慮美觀性,因此本研究采用球形殼體的設計作為安裝CCD相機和傳感器的載體,避免雜質和灰塵對這些精密元件的損害。同時，在殼體上預留出一定數量的孔作為相機SD與HDMI連線接口以滿足航拍、轉動、擴展等要求。殼體內部除了保證相機等元器件的安裝外，還需在橫軸方向上安裝內置的微型無刷電機以作為橫軸上的動力源。考慮到零件的易加工性，相機殼體結構分為3個零件：相機主殼、相機前蓋、相機后蓋，前蓋部裝有樹脂鏡片。其中后蓋與主殼連接方式為螺釘定位配合，前蓋與主體連接方式為粘結劑粘貼。相機殼體與旋轉結構通過殼體兩側的同軸進行定位安裝。

1.3 云臺旋轉連接結構的設計

旋轉結構主要零件分別為縱軸和俯仰軸方向上的懸臂結構和其附屬連接蓋子。旋轉連接結構主要負責橫縱軸與俯仰軸方向上的轉動，本研究采用對稱雙臂設計以加強云臺旋轉自穩性，雖然這樣設計比傳統的單臂結構重量上略有增加，但這樣重量較大的相機及傳感器元器件的載荷就會落在對稱的橫軸上，這有助于減小產生的扭矩，提升整個系統的結構穩定性，同時也降低了無刷電機的補償能耗，外觀上也比單臂結構更為美觀。

1.4 云臺支撐結構及減震結構的設計

支撐結構主要零件有連接固定無人機的頂架和安裝固定和保護俯仰電機和主控電路板的懸架及其附屬連接蓋子。而減振結構主要起到了吸收來自無人機在運行過程中產生的振動的作用。本研究采用橡膠制成的中空柔性結作為云臺的阻尼減振器。云臺在振動過程中柔性結將克服振動阻尼通過自身的變形吸能從而達到減小振動的目的，從而防止云臺上其他結構受到損傷。根據云臺的大小選擇適合的柔性結安裝到頂架與懸架之間的合適位置。需要注意的是在實際使用過程中，柔性結在長時間下經過反復形變，容易產生裂痕。如果不及時更換，裂痕會繼續擴展直至完全損壞，影響到整體系統的安全。因此，為了防止柔性結脫落或者斷裂，需在柔性結的中空位置插入安全銷釘(銷釘的長度要大于柔性結的最大拉伸量)。另外，支撐結構與旋轉連接結構通過俯仰電機軸及微型滾針軸承進行連接。

1.5 云臺結構的裝配

最后，各零件在Inventor中裝配完成，在確保裝配體各零部件間沒有干涉后分別對云臺裝配體進行重力分析和運動仿真檢測。結果表明：云臺的設計達到了預想的要求。

云臺系統總重約190 g；俯仰軸最大轉動角度±30°；橫軸最大轉動角度±45°；縱軸最大轉動角度±30°。

2 云臺的載荷分析

本研究將Inventor裝配體模型導出為IGS文件格式后，再導入到ANSYS Workbench中[8]，按表2所示的材料匹配進行云臺各結構件的材料屬性賦予。為了簡化計算，筆者將相機殼體結構和部分其他非主要結構及電子元器件、CCD相機、電機等重量置換成載荷以進行分析，忽略定位軸和滾珠軸承對云臺結構微小的影響。由于本研究設計的云臺零件具有不規則的外形，在進行網格劃分時采用自適應實體單元進行網格劃分，設置全局網格單元尺寸為2 mm，同時為了盡可能地提高仿真計算的精度，筆者對云臺結構中旋轉連接部分這些可能出現應力集中的部位適當減小網格尺寸。最后劃分完成后的云臺模型節點Nodes總數為132 083個，單元Elements總數為67 416個。在云臺的載荷設置過程中，除了云臺主體結構的自身重量外，還需在一些關鍵連接處加載替換后的載荷。本研究在頂架的4個固定孔軸處(A處)將3個方向的位移自由度設置為0，模擬頂架與無人機機體的約束固定；在縱軸旋臂的定位軸上(B處)，施加一個沿Y軸向下0.6 N的作用力，模擬相機殼體、相機、橫軸電機和其他電子元器件所產生的重力；在懸架內側平面上(C處)，施加一個沿Y軸向下0.4 N的作用力，模擬主控電路板和俯仰電機所產生的重力；在俯仰軸懸臂的下側(D處)，施加一個沿Y軸向下0.3 N的作用力，模擬縱軸電機和傳感器所產生的重力；最后在全局坐標系中設置重力加速度，這將產生一個大小為9.806 65 m/s2的加速度，定義其沿Y軸向下模擬云臺結構受到的自重，同時考慮到無人機運行時會產生一定的水平慣性力，因此假設無人機以10 m/s2的水平加速度飛行，在全局坐標系中設置一個相應加速度(F處)，方向沿Z軸負方向。

簡化后的云臺模型有限元網格劃分及載荷加載示意如圖3所示。

圖3 有限元網格及載荷示意圖

云臺靜力學等效應力和變形如圖4所示。

圖4 靜力學應力及變形圖

結果表明：最大應力發生于旋轉結構連接處。其最大應力為3.34 MPa，該部位材料為鋁合金，其屈服強度極限為255 MPa。可以看出，圖4中的最大等效應力值要遠遠小于材料的屈服極限值。云臺也產生了微小形變，但對于整個系統而言，0.14 mm的最大形變對于三軸穩定平臺的正常使用不會產生任何不良影響。

3 云臺的模態分析

具有多旋翼電機組的無人機在運行狀態下產生的振動較固定翼無人機要復雜。首先，多旋翼無人機在運行時直接受到來自各電機所產生的影響，這種影響也會隨著電機數量的增加而變得更復雜，多個電機同時運行時所產生的振動將直接積累到整個系統上。其次，各旋翼的轉速會存在微小的差別，多旋翼轉動時不能完全抵消各自所產生的扭矩，同時在戶外飛行時各旋翼由于空氣來流情況復雜，這也將導致升力不平衡的現象。所以，多旋翼無人機會同時受到來自自身旋翼轉動所產生的影響和來自外界空氣流動的影響。為了確保所設計的云臺能滿足復雜振動工況下的要求，要進行動力學模態分析來確定結構的固有頻率和振型等模態參數[9]。

在實際情況下，傳遞給云臺的振動頻率一般集中于50 Hz～70 Hz之間[10-11]。因此，筆者重點分析集中在這一區間段的模態振型，對云臺結構進行六階模態分析。云臺的六階模態云圖如圖5所示。

(a)一階二階振型(f1=40 Hz Max-Deformation1=170 mm，f2=42 Hz Max-Deformation2=168 mm)

(b)三階四階振型(f3=84 Hz Max-Deformation3=231 mm，f4=99 Hz Max-Deformation4=210 mm)

(c)五階六階振型(f5=107 Hz Max-Deformation5=241 mm，f6=142 Hz Max-Deformation6=252 mm)圖5 云臺六階模態云圖

可以看出：一階、二階振型是彎曲振型，結構沿縱軸彎曲，固有頻率和最大位移都十分接近。三階、四階也是彎曲振型，但結構沿橫軸彎曲。五階和六階振型是扭轉振型，結構沿俯仰軸扭轉，可以看出結構受到扭轉后變形較大，最大位移均集中在頂架和柔性結處。同時可以看出：易產生共振的頻率范圍介于結構的第二階與第三階固有頻率之間，超過第三階后結構的固有頻率都十分遠離這一階段，因此不會產生共振。說明振動對云臺工作不會產生較大的影響，整個設計是合理可靠的[12-13]。

為了進一步說明柔性結對云臺減震能力的影響，未使用柔性結的云臺固有頻率和最大位移如表3所示。

表3 未加入柔性結的模態參數

可以看出：未加入柔性結的云臺各階振型頻率遠超加入柔性結后的云臺頻率，每階模態對應的最大位移量也相對提高了不少。回顧圖5的六階振型圖，云臺結構的最大位移處均出現在頂架和柔性結上，而下方的安裝相機和電機的結構未出現較大位移偏移，云臺的穩定性十分良好。由此可以看出，柔性結對云臺整體減振效果起到了關鍵作用。

4 結束語

本研究使用Inventor自主設計了一種多旋翼無人機三軸穩定云臺，并對云臺姿態補償原理和各結構零部件的設計進行了分析說明，同時通過ANSYS Workbench對結構進行了靜力學強度剛度校核和動力學模態分析，得到的相關仿真結果佐證了該設計是合理可靠的。

由于本設計的云臺零部件結構相對比較復雜，具有不規則外形，加之尺寸較小，在加工上存在一定的難度。因此在下一階段，本研究將通過3D打印或精密鑄造來搭建實際的云臺裝配體，之后再通過高性能數據信號采集儀得到無人機運行過程中云臺的真實模態參數，并與仿真數據進行對比，最大化地降低設計誤差，為后續云臺系統的優化升級和減震技術的研究提供參考。

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