基于ADAMS的舵機云臺運動學與動力學仿真分析

王洪帥 樊春洋 陳清泉 何流洪

摘 要：針對自主設計的一種舵機云臺的運動學和動力學問題，采用ADAMS軟件仿真分析了其運動學和動力學特性，得到了該舵機云臺正常工作時的性能和裝配特性，為實物設計提供了有力參考。

關鍵詞：舵機云臺;ADAMS;柔性體;仿真分析

Kinematics and dynamics simulation analysis

of steering gear pan tilt based on ADAMS

Wang Hongshuai Fan Chunyang Chen Qingquan He Liuhong*

College of Mechanical EngineeringGuizhou University GuizhouGuiyang 550025

Abstract：Aiming at the kinematics and dynamics problems of a selfdesigned steering gear pan tilt，the kinematics and dynamics characteristics are simulated and analyzed by using ADAMS software.The normal working and assembly characteristics of the steering gear pan tilt are obtained，which provides a strong reference for the physical design.

Key words：Steering gear pan tilt;ADAMS;flexible body;simulation analysis

云臺是無人機各大組成中的重要部件，云臺的功能、結構等對飛行器的影響是巨大的[1]。云臺是安裝在無人機上用來掛載相機等拍攝設備的機械構件，一般云臺都能滿足相機的三個自由度的旋轉，每個軸心內都安裝有電機，當無人機傾斜時，同樣會配合陀螺儀給相應的云臺電機加強反方向的動力，防止相機跟著無人機“傾斜”，從而避免相機抖動，大部分云臺需要三個無刷電機來控制三個關節，調整攝影云臺的方向，從而實現其功能。

現有云臺大都是使用無刷電機來控制的，具有反應靈敏、精度高等優點，本文研究的是自我設計的舵機云臺，舵機云臺雖然沒有高精度、高靈敏性，但成本低，結構也相對簡單，我們使用ADAMAS仿真軟件對該舵機云臺進行了運動學和動力學仿真[2]，并得出了簡單的一些性能和裝配要求結論。

1 舵機云臺三維模型的創建

Solidworks是專業的三維模型設計軟件，可以輕松方便的建立零件以及裝配體三維模型，自1995年問世以來，因其優越可靠的性能受到了機械工程師以及同學們的廣泛歡迎。建立舵機云臺模型的過程如下所示：

（1）首先在軟件創建零件命令內創建草圖，并通過拉伸、旋轉、切除等命令完成零件模型的設計，創建完成的零件三維模型如圖1所示，分別是上板、下板、減震球、舵機、舵盤、支架、相機架。

（2）將建立的零件導入裝配體，設置各零件之間的配合關系，創建舵機云臺的裝配體模型，裝配完成的模型如圖2所示。

2 舵機云臺仿真模型的創建

2.1 舵機云臺仿真模型

ADAMS軟件是美國機械動力公司（Mechanical Dynamics Inc.）（現已并入美國MSC公司）開發的虛擬樣機分析軟件。該軟件可以對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線等[3]。舵機云臺仿真模型創建過程如下：

（1）利用Solidworks的Parasolid格式數據接口，將創建的三維模型導入ADAMS軟件中;

（2）對模型中的零件實行布爾操作，簡化模型;

（3）對簡化模型中的零件添加運動副;

（4）添加模型添加旋轉驅動，并對驅動添加STEP函數運動[4];

（5）設置材料密度、重力等參數。ADAMS創建完成的仿真模型如圖3所示。

2.2 ADAMS柔性體

ADAMS可以對關鍵部件創建柔性體實現剛體和柔體相結合的方式實現對模型的更精確分析[5]，利用ADAMS/ViewFlex模塊生成mnf文件創建柔性體的過程如下[6]：

（1）選擇Buid→Flexible Bodies→ViewFlex，在Part to meshed一欄中選取創建柔性體的零件，并勾選Manual Replace和Stress Analysis，點擊OK，創建mnf文件;

（2）選擇Build→Flexible Bodies→Rigid To Flex，導入mnf文件。創建完成的柔性體如圖4所示。

3 舵機云臺運動學和動力學仿真

3.1 運動學仿真

對舵機云臺的上板施加外加驅動，其速度函數為STEP（time，0，0d，5，40d）+STEP（time，7，40d，12，40d）+STEP（time，14，40d，19，0），得到的運動學仿真結果如圖5、圖6所示，圖5為x軸方向質心位移曲線，圖6為x軸方向質心速度曲線，其中實線為云臺上板的運動，虛線為相機架的運動，從圖中可看出，相機架為保持原狀態，當上板以一定速度向某方向運動時，相機架總是向相反方向運動更大位移，且速度相對更快，與理論分析結果一致。

3.2 動力學仿真

影響舵機云臺工作的主要因素是自身重力以及安裝在相機架上的相機的重力影響，現假設相機重量集中在相機架中心位置，施加一集中力在相機架中心位置，仿真運行得x，y，z軸節點各方向的受力曲線，y方向的受力如圖6所示，從中可知，各節點出受到的力很小，以普通螺栓連接完全符合要求，取x和z軸的控制支架作應力應變結果后處理，其應力云圖如7、圖8所示，從中可知支架應力集中在各連接處，在設計時只需考慮這幾處滿足應力要求即可。

相機的質心位置對舵機控制和支架受力有一定影響，所以在安裝相機時需要考慮相機的具體位置，進而進行調平工作，下面通過調整力施加在相機架不同位置時的支架受力情況來模擬相機安裝不同位置時對支架受力的影響，為使效果更明顯，加大了具體施加的力的大小。結果如圖9、圖10所示，圖9為力施加在相機架上遠離x軸舵機位置時z軸控制支架的結果，圖10為力施加在相機架上靠近x軸舵機位置時z軸控制支架的結果，從支架1各對應關鍵點的受力狀態的比較可知，相機安裝在靠近x軸舵機的位置時為最優狀態。

4 結語

通過使用Solidworks建立舵機云臺三維模型，然后導入動力學仿真軟件ADAMS，進而分析舵機云臺工作時的特性和狀態，為實物的搭建提供了理論支持，減少了問題的發生，極大地提高了效率，從仿真分析中發現舵機云臺工作時，相機架位移以及速度大于對上板施加的驅動位移和速度，支架上的應力主要集中在連接處，相機安裝時，靠近x軸舵機時，支架受力更小，對云臺工作更有利。

參考文獻：

[1]宋科.一種多旋翼無人機三軸穩定云臺的設計[J].機電工程，2018，35（02）：153157.

[2]曹默，景作軍，孫德輝.基于ADAMS的隔爆云臺運動學與動力學仿真[J].北方工業大學學報，2010，22（01）：3237.

[3]高賽.基于UG和ADAMS氣動抓手的運動學仿真及有限元分析[J].農業裝備與車輛工程，2020，58（06）：134136.

[4]鐘小勇，李鳳英.ADAMS函數的使用技巧[J].裝備制造技術，2008（11）：100102.

[5]楊傳寧，董明曉，梁立為，馮潤輝，和大龍.基于ADAMS的塔式起重機剛柔耦合虛擬樣機[J].起重運輸機械，2020（16）：6264+70.

[6]劉靜，林沖，郭世財.基于ADAMS和ANSYS的機械臂剛柔耦合運動學分析[J].機床與液壓，2020，48（17）：2528+107.

基金項目：2019年教育部產學合作協同育人項目（AHZXY20200506003）

作者簡介：王洪帥（1999— ），男，本科，貴州大學機械工程學院學生。

*通訊作者：何流洪（1986— ），男，碩士研究生，高級實驗師，貴州大學工程訓練中心基礎制造實驗室、3D打印工作室、競創空間負責人，長期從事無人機及機器人的教學及研究工作。