適用于多旋翼無人機的兩軸云臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

喻伯牙，易華輝，侯羽生，李 曉，劉 巖

（西安工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，西安710021）

0 引言

近年來，隨著無人機技術(shù)日益成熟，多旋翼無人機的載重和續(xù)航得到快速提升[1]，同時具備操控簡單方便、高可靠性、結(jié)構(gòu)模塊化、易于維修的優(yōu)點[2]，被廣泛地應(yīng)用于電力巡檢、影視航拍、農(nóng)藥噴灑、航空偵察、目標(biāo)實時跟蹤觀測、打擊標(biāo)定、戰(zhàn)場毀傷評估、航空測繪等民用和軍用領(lǐng)域[3-4]。其中許多任務(wù)需要實時視頻記錄、視頻傳輸，這些任務(wù)要求視頻穩(wěn)定。在航空攝影的應(yīng)用中，由于相機受到外界因素的干擾會發(fā)生振動和抖動，導(dǎo)致視頻和圖像無法清晰地捕捉到，這就需要穩(wěn)定平臺對其進(jìn)行穩(wěn)像控制。云臺是無人機搭載各類光學(xué)載荷的關(guān)鍵設(shè)備，作用是在隔離載機振動與姿態(tài)機動對成像質(zhì)量影響的同時實現(xiàn)對特定目標(biāo)穩(wěn)定觀測[5]，可以使在不穩(wěn)定環(huán)境中的長焦距相機通過云臺裝置保持在穩(wěn)定的位置，讓獲得的數(shù)據(jù)或信息受外部干擾影響的概率被最小化[6]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展人們運用多旋翼無人機執(zhí)行的任務(wù)復(fù)雜多樣，這也導(dǎo)致無人機云臺需要負(fù)載的任務(wù)載荷隨之增加。當(dāng)前世界各國對于無人機云臺的研究主要是對其控制算法、控制系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等方面的研究。

控制算法方面，郭炳坤[7]針對傳統(tǒng)PID算法結(jié)構(gòu)簡單，不能充分滿足現(xiàn)在無人機云臺系統(tǒng)復(fù)雜的控制要求等問題，提出了通過PSO優(yōu)化的三軸穩(wěn)定云臺模糊PID控制系統(tǒng)，并為了克服三軸穩(wěn)定云臺復(fù)雜的干擾因素，提出了基于自適應(yīng)Kalman濾波的模糊PI控制算法。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度顯著提高，而且系統(tǒng)無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間短，能夠根據(jù)實時變化來調(diào)整參數(shù)，有效抑制了系統(tǒng)的控制噪聲和測量噪聲，提高了系統(tǒng)性能，減少了系統(tǒng)誤差。Ayta?Altan等[8]建立了基于非線性Ham?merstein塊結(jié)構(gòu)的移動平臺三軸框架系統(tǒng)的模型預(yù)測控制器（MPC）的有效控制，而且提高了外部干擾下目標(biāo)的實時跟蹤性能。針對三軸框架系統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤問題，提出了一種基于Hammerstein模型的MPC控制器。仿真和實驗結(jié)果表明，其提出的基于Hammerstein模型的MPC算法能夠保證無人機在不受外界干擾的情況下，準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)并保持穩(wěn)定。

控制系統(tǒng)方面，舒林[9]設(shè)計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)云臺控制系統(tǒng)是一種新型云臺控制系統(tǒng)，硬件方面采用ARM作為數(shù)字核心處理器，姿態(tài)傳感器采用MPU6050獲取云臺姿態(tài)信號，執(zhí)行云臺控制算法，控制直流無刷電機，驅(qū)動云臺負(fù)載。軟件算法方面采用雙閉環(huán)控制，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法對云臺的速度環(huán)和位置環(huán)進(jìn)行穩(wěn)定控制，通過試驗表明：在外部存在方向恒定，風(fēng)速5.95 m/s擾動的情況下，云臺的姿態(tài)角度誤差在±5°，能夠?qū)崿F(xiàn)云臺的穩(wěn)定控制。

結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，魯志超[10]針對不同種類的云臺與無人機不能相互通用連接，導(dǎo)致各類云臺與無人機的連接結(jié)構(gòu)互換性差，以及云臺與無人機之間的拆卸和安裝不方便等問題。設(shè)計了一種彈簧夾持式云臺結(jié)構(gòu)，并通過ANSYS Workbench進(jìn)行了有限元仿真分析，由仿真分析結(jié)果得出：云臺結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，滿足設(shè)計要求。叱干石雷[11]針對無人機高層消防問題進(jìn)行了總結(jié)，提出了一種無人機配備大負(fù)載云臺帶動消防水槍進(jìn)行滅火的方案，設(shè)計出了符合要求的大負(fù)載無人機云臺的結(jié)構(gòu)，并借助ANSYS Workbench和Adams軟件對虛擬三維模型進(jìn)行了仿真分析。最后給出了一款安裝便捷快速、結(jié)構(gòu)簡單輕便、負(fù)載能力強大的大負(fù)載無人機云臺。

本文主要內(nèi)容為設(shè)計一款適合旋翼無人機的較大負(fù)載兩軸云臺，并通過ANSYS Workbench對云臺進(jìn)行靜力學(xué)分析與動力學(xué)分析，檢驗云臺結(jié)構(gòu)剛度和強度是否達(dá)到要求，驗證其是否會發(fā)生共振情況。

1 云臺整體設(shè)計

1.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)

根據(jù)本文的設(shè)計要求：基于多旋翼無人機設(shè)計一款較大載重的兩軸云臺，來實現(xiàn)本課題的實驗研究。具體設(shè)計指標(biāo)是云臺可以負(fù)載5 kg以內(nèi)的光電設(shè)備等其他物體，并且能夠控制這些設(shè)備能夠在一定角度范圍內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。本文設(shè)計的云臺是要搭載在旋翼無人機上的承載裝置，必須要符合在承受最大負(fù)載條件下的剛度要求與強度要求，并且云臺自身重量要盡可能的輕。關(guān)于性能指標(biāo)，要求云臺要具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，在實現(xiàn)產(chǎn)品化等方面上能夠達(dá)到較高的水平。設(shè)計好的云臺作為無人機的重要組成部分，還要考慮到云臺與無人機連接部分是否能方便連接。

由于所設(shè)計的云臺至少需要兩個自由度。然而考慮到兩軸云臺也可以滿足設(shè)計要求，并且可以減去一個無刷直流電機進(jìn)而減輕云臺自身的重量，而且方位軸主要是負(fù)責(zé)對目標(biāo)的瞄準(zhǔn)。對于多旋翼無人機而言，無人機可以沿任何方向平動，也可以迅速改變其方位角，通過改變無人機的方位角可以免除第三軸方位軸的必要[12]，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計上只需要控制橫滾軸和和俯仰軸兩個自由度。在此基礎(chǔ)上，以二軸云臺為方案進(jìn)行設(shè)計。兩軸云臺結(jié)構(gòu)，其兩根旋轉(zhuǎn)軸相互垂直，通常將兩軸穩(wěn)定云臺的臺體劃分為3種結(jié)構(gòu)類型，即極軸式、水平式和地平式。而地平式云臺又可以分為T型結(jié)構(gòu)與U型結(jié)構(gòu)[13]。由于U型結(jié)構(gòu)的空間利用率較高，綜合性能好，所以本文的云臺結(jié)構(gòu)選為U型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 兩軸云臺結(jié)構(gòu)

1.2 云臺平衡原理

根據(jù)云臺平衡原理，兩軸云臺時刻處于平衡狀態(tài)是因為各個關(guān)節(jié)處的電機接收姿態(tài)傳感器傳遞的電信號，通過調(diào)整電機的轉(zhuǎn)動慣量改變俯仰及橫滾框架的角度大小，對云臺各個框架相對位置進(jìn)行校準(zhǔn)，實現(xiàn)兩軸云臺自穩(wěn)效果，進(jìn)而使機載設(shè)備能夠在復(fù)雜環(huán)境過程中穩(wěn)定工作。依據(jù)剛體定軸轉(zhuǎn)動的動量距定理得：

式中：α為轉(zhuǎn)動角加速度。

動能定理：

定軸轉(zhuǎn)動動能定理：

式中：Jd為電機轉(zhuǎn)動慣量；JL為負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量。

由式（1）~（3）得出云臺總動能T：

式中：JZ、JY分別為橫滾軸、俯仰軸定軸轉(zhuǎn)動慣量；β、γ分別為橫滾軸、俯仰軸定軸轉(zhuǎn)動角度。

由拉格朗日方程可得兩個轉(zhuǎn)動軸電機轉(zhuǎn)動力矩：

將式（5）~（6）代入式（4）中得出云臺穩(wěn)定方程：

從以上公式可得：當(dāng)云臺運轉(zhuǎn)時通過改變電機的轉(zhuǎn)動慣量來使云臺的總能量T保持不變，進(jìn)而實現(xiàn)云臺的穩(wěn)定。

1.3 云臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于上節(jié)確定云臺結(jié)構(gòu)為兩軸，通過SolidWorks對云臺進(jìn)行三維建模，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 云臺三維結(jié)構(gòu)

云臺的主要結(jié)構(gòu)如下。

（1）減震結(jié)構(gòu)，主要通過橡膠阻尼減震。由于無人機在飛行過程中會遇到來自外界以及自身的擾動，進(jìn)而使無人機產(chǎn)生振動引起阻尼減振器形變。當(dāng)阻尼減震器變形時無人機需要克服減振器的阻尼做功，其所做的功被轉(zhuǎn)化為內(nèi)能從而達(dá)到了減振的目的，并起到了保護(hù)云臺其他結(jié)構(gòu)的作用。

（2）旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，確保云臺2個坐標(biāo)軸在規(guī)定空間軌跡內(nèi)運動，橫滾軸、俯仰軸節(jié)點處分別裝配無刷電機來調(diào)節(jié)云臺的姿態(tài)確保云臺處于穩(wěn)定狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)臂中還裝有各類電子傳感器，以及配備有控制面板，確保云臺工作時線路安全穩(wěn)定。

（3）攝影機底部固定板，固定攝影機、姿態(tài)傳感器或其他光電設(shè)備。確保搭載的設(shè)備在云臺運轉(zhuǎn)時不會掉落，保證相機或其他光電設(shè)備可以獲得穩(wěn)定畫幅。

1.3.1 云臺材料的選擇

云臺材料的選擇直接影響到云臺的綜合性能。由于云臺要承載各種光電設(shè)備及其他電子元件，并且還需要其他零件對云臺進(jìn)行連接固定。而且本論文目標(biāo)是設(shè)計一款較大載重的無人機云臺，如果選擇不合適的材料將直接導(dǎo)致云臺在運動過程中的強度和剛度無法滿足要求。綜上所述云臺的材料選擇應(yīng)符合以下條件：

（1）云臺材料是否符合加工工藝要求、是否經(jīng)濟(jì)環(huán)保，材料是否易于加工；

（2）云臺工作時不僅受到重力作用，而且受到無人機振動的干擾，此外，云臺掛載在旋翼無人機上工作時對周圍環(huán)境以及自身質(zhì)量與體積都有嚴(yán)格的要求，因此，云臺的主體部分要選擇強度高的材料去加工，例如：碳纖維材料，工程塑料、鋁鎂合金等材料。這樣不僅使云臺的強度和剛度符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，同時也減輕了云臺質(zhì)量。

綜上所述，無人機云臺的二維旋轉(zhuǎn)框架選擇碳纖維作為承載電機及其他零件的材料，而不直接參與承載的零件選擇ABS作為其材料，減振部分的減震球選擇橡膠作為其材料、上下減振板則選擇碳纖維。傳動軸和滾珠軸承都使用專門的2Cr13材料。云臺與無人機連接部分為鋁合金柱。上述4種材料的參數(shù)如表1所示，云臺主體的主要材料參數(shù)如表2所示。

表1 云臺材料的參數(shù)

表2 云臺主體材料參數(shù)

1.3.2 云臺減振結(jié)構(gòu)設(shè)計

無人機在飛行時會受到外界因素的干擾產(chǎn)生振動，云臺減振部分就是用來吸收其產(chǎn)生的振動，使云臺能夠在較穩(wěn)定狀態(tài)下運行。本文所設(shè)計的減振結(jié)構(gòu)是由6個鋁合金柱、上下減振板以及橡膠阻尼減振球組成。阻尼減震器由橡膠制成，其尺寸、數(shù)量的選擇由云臺大小進(jìn)行確定，并將其安裝在合適的位置。由于在無人機飛行過程中，阻尼減震器會受來自外界的力而反復(fù)變形，這就造成阻尼減震器容易發(fā)生斷裂[14]，因此，為了防止其斷裂本文在阻尼減震器中插入了合適的銷釘。另外，在減振結(jié)構(gòu)中還有6個鋁合金柱通過螺釘將云臺與無人機固定連接。

1.3.3 旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

旋轉(zhuǎn)運動結(jié)構(gòu)由縱軸和俯仰軸懸轉(zhuǎn)臂以及其上面的控制面板、懸臂蓋組成，它可以完成橫滾、俯仰兩個方向上的運動。根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，本文的云臺主體采用U型結(jié)構(gòu)，其不僅穩(wěn)定性好、適合負(fù)載較大質(zhì)量光電設(shè)備、而且還可以減小電機的扭矩，從而提升了云臺的綜合性能。將控制線路內(nèi)置避免了外界因素對云臺的影響，保證了云臺線路安全，也使云臺更加美觀。

1.3.4 云臺光電設(shè)備固定結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，為了搭載較大質(zhì)量與較多種類的光電設(shè)備，云臺相機固定結(jié)構(gòu)不僅要實用而且要美觀。其設(shè)計為開放式，保證了相機及其他光電設(shè)備的連接線都不會受到局限，并且在相機安裝板上還預(yù)留了IMU卡槽，方便姿態(tài)傳感器的安裝，為了支撐質(zhì)量與尺寸較大的相機鏡頭還預(yù)留了鏡頭支撐桿安裝位置，來確保相機平穩(wěn)工作。由于搭載的光電設(shè)備質(zhì)量不同，所以手動將相機固定板移動到合適位置后，通過兩個螺釘將其固定住從而使云臺調(diào)平。

1.4 云臺結(jié)構(gòu)的裝配

在SolidWorks中將各個零件裝配完成，并且在保證裝配體各個零件之間沒有干涉后，分別對其進(jìn)行質(zhì)量與運動仿真分析。云臺整體質(zhì)量為4 kg；俯仰軸最大轉(zhuǎn)動角度為±30°；橫軸最大轉(zhuǎn)動角度為±45°。

2 云臺結(jié)構(gòu)分析

2.1 靜力學(xué)分析

本節(jié)對云臺進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，檢驗云臺整體結(jié)構(gòu)的剛度和強度是否滿足要求。首先將SolidWorks裝配模型導(dǎo)出為IGS格式，在導(dǎo)入到ANSYS Workbench中。按照表2對云臺各個零件賦予材料屬性。在云臺模型接觸設(shè)置中，減震球和碳纖維板設(shè)置為非對稱接觸，鋁合金柱與碳纖維板設(shè)置為對稱接觸。從理論上講，只有網(wǎng)格劃分的越精細(xì)，分析的結(jié)果才能更加準(zhǔn)確。所以本文根據(jù)實際情況，對云臺模型進(jìn)行自動劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為4 mm、relevace center設(shè)置為fine、smoothing設(shè)置為high、translation設(shè)置為slow。在該模型中，網(wǎng)格劃分單元總共為583 378個，節(jié)點總共為221 397個。在云臺模型載荷設(shè)置中，添加重力加速度9.806 55 m/s2，云臺最大承載的相機質(zhì)量為5 kg，在6個鋁合金柱處添加固定約束，模擬云臺固定在無人機上。簡化后的云臺模型網(wǎng)格劃分和施加載荷后的結(jié)果如圖3所示。云臺模型靜力學(xué)分析后的結(jié)構(gòu)形變和等效應(yīng)力如圖4所示。由圖可知，云臺的最大變形發(fā)上在橫滾軸旋轉(zhuǎn)臂處，對于整個云臺系統(tǒng)而言0.497 63 mm的最大變形可以忽略不計。云臺的最大應(yīng)力發(fā)生在橫滾軸旋轉(zhuǎn)連接處，最大等效應(yīng)力為14.368 MPa，而該處的材料為鋁合金。它的最大屈服強度為255 MPa，遠(yuǎn)大于云臺的等效應(yīng)力值。所以該云臺結(jié)構(gòu)的剛度和強度符合要求，云臺結(jié)構(gòu)可靠、穩(wěn)定。

圖3 云臺網(wǎng)格劃分和施加載荷

2.2 模態(tài)分析

對于多旋翼無人機，因為其質(zhì)量較輕、體積小并在低空飛行的特點，所以它搭載的云臺系統(tǒng)非常容易受到外界氣流擾動和電機運行時產(chǎn)生的振動等其他的外界因素的干擾，造成視軸不穩(wěn)定，導(dǎo)致視頻圖像模糊，所獲得的實驗數(shù)據(jù)精度不準(zhǔn)確，特別對于搭載長焦距相機的云臺其更容易受到影響[15]。所以為了使云臺結(jié)構(gòu)合理，本節(jié)對云臺模型進(jìn)行動力學(xué)模態(tài)分析，確定云臺結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型等模態(tài)參數(shù)。圖5所示為云臺的10階模態(tài)云圖，其所對應(yīng)的振動頻率值如表3所示。

表3 10階振動頻率表

圖5 具有減振結(jié)構(gòu)的云臺10階模態(tài)云圖

根據(jù)以往的實驗數(shù)據(jù)得出，外界傳遞給云臺的振動頻率一般集中在50～70 Hz之間[16-17]。由圖5和表3可得：1階振動頻率到6階振動頻率集中在6.714 9～41.3 Hz之間，7階振動頻率到10階振動頻率集中在111.64～190.34之間，這些都不在50～70 Hz之間。所以本文設(shè)計的兩軸云臺在運轉(zhuǎn)時不會發(fā)生共振情況，云臺結(jié)構(gòu)符合要求，可靠穩(wěn)定。

為了驗證云臺的減振性能，本文對沒有減振結(jié)構(gòu)的云臺也進(jìn)行了模態(tài)分析，其10階模態(tài)云圖如圖6所示，所對應(yīng)的振動頻率值如表4所示。

圖6 沒有減振結(jié)構(gòu)的云臺10階模態(tài)云圖

表4 10階振動頻率表

分析圖6和表4可知，當(dāng)云臺沒有減震結(jié)構(gòu)時，其振動頻率都增加了，且從第3階開始就有了較高的振動頻率，俯仰框架從第5階開始就有較大的變形。相比之下有減振結(jié)構(gòu)的云臺，其俯仰框架的較大變形是從第9階開始。根據(jù)以上分析結(jié)果得出：擁有減振結(jié)構(gòu)的云臺減振性能更加顯著，云臺結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

本文通過Slidworks設(shè)計了一種兩軸云臺，對云臺結(jié)構(gòu)設(shè)計和各個結(jié)構(gòu)的材料選擇進(jìn)行了說明，使用ANSYS?Workbench對兩軸云臺模型進(jìn)行了有限元靜力學(xué)和動力學(xué)仿真分析。根據(jù)分析結(jié)果得出：云臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在工作時不會發(fā)生共振現(xiàn)象，云臺的整體結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求，從理論上得出該云臺可以搭載最大5 kg的光電設(shè)備，為以后旋翼無人機可搭載較重的光電設(shè)備提供了參考依據(jù)，為以后較大負(fù)載的云臺結(jié)構(gòu)設(shè)計研究提供了參考。