基于頭部姿態(tài)控制的農(nóng)田監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)云臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

周利杰，孫迎建，蔡國(guó)慶，郝瑞林，劉輝

(1. 河北水利電力學(xué)院機(jī)械工程系，河北滄州，061001；2. 河北省工業(yè)機(jī)械手控制與可靠性技術(shù)創(chuàng)新中心，河北滄州，061001)

0 引言

農(nóng)田監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)作物病蟲(chóng)害、倒伏、干旱、施肥不足、火情等情況，是提高農(nóng)田產(chǎn)量和防控農(nóng)田風(fēng)險(xiǎn)的重要措施。農(nóng)田監(jiān)測(cè)主要依靠無(wú)人機(jī)[1]、機(jī)器人[2]、固定位置傳感器[3]等方式開(kāi)展。無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)具有航程遠(yuǎn)、方便靈活、效率高的優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)階段大型農(nóng)田應(yīng)用最多的監(jiān)測(cè)方式。固定翼無(wú)人機(jī)以其長(zhǎng)續(xù)航、高抗風(fēng)能力、大載重、高效率的優(yōu)點(diǎn)更加適合大型農(nóng)田的監(jiān)測(cè)任務(wù)[4]。無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)任務(wù)中攝像云臺(tái)的作用至關(guān)重要。云臺(tái)不僅要支撐攝像機(jī)，而且還要滿足一定的功能要求。

近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)無(wú)人機(jī)云臺(tái)進(jìn)行了研究，研究方向主要集中在輕量化、減震增穩(wěn)、姿態(tài)跟蹤等方面。李創(chuàng)等[5]針對(duì)多軸增穩(wěn)云臺(tái)輕量化的設(shè)計(jì)需求，提出了空間多點(diǎn)懸掛和多軸系框架閉環(huán)的設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)與仿真分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性，為云臺(tái)的輕量化設(shè)計(jì)提供方法參考。楊潤(rùn)等[6]利用無(wú)刷電機(jī)、陀螺儀、加速度計(jì)等器件設(shè)計(jì)了機(jī)載兩軸云臺(tái)，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了云臺(tái)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性，為云臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了良好借鑒。劉家燕等[7]設(shè)計(jì)了一種用于載荷內(nèi)框架安裝的橡膠減振器，以保護(hù)光電吊艙的內(nèi)部設(shè)備，減小振動(dòng)對(duì)機(jī)載光電吊艙成像質(zhì)量和穩(wěn)定精度的影響，表明橡膠具有較好的減震效果，為橡膠應(yīng)用于云臺(tái)減震提供了技術(shù)支撐。王日俊等[8]將互補(bǔ)濾波算法應(yīng)用于機(jī)載云臺(tái)，互補(bǔ)濾波算法能夠?qū)Ω┭觥L轉(zhuǎn)和偏航姿態(tài)信息進(jìn)行融合，對(duì)保持機(jī)載云臺(tái)在慣性空間中的穩(wěn)定性有著較為積極的作用，為云臺(tái)的姿態(tài)跟蹤和控制提供了方法參考。

綜上所述，眾多學(xué)者對(duì)無(wú)人機(jī)云臺(tái)在實(shí)現(xiàn)輕量化、減震增穩(wěn)、姿態(tài)跟蹤等方面取得了較大進(jìn)展，但這些研究?jī)?nèi)容主要針對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)的航拍云臺(tái)，而針對(duì)固定翼專用監(jiān)測(cè)云臺(tái)的研究較少。因此，常將多旋翼航拍云臺(tái)安裝在固定翼上進(jìn)行農(nóng)田監(jiān)測(cè)。這種航拍云臺(tái)具有一定的缺點(diǎn)，如體積大、重量大、迎風(fēng)阻力大、可集成性差、價(jià)格高等，應(yīng)用于大型農(nóng)田固定翼監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)中仍有一定的局限性。因此，為滿足農(nóng)田監(jiān)測(cè)固定翼無(wú)人機(jī)對(duì)云臺(tái)的要求，并為農(nóng)田監(jiān)測(cè)提供支持，研究并設(shè)計(jì)重量輕、體積小、可集成性高的固定翼監(jiān)測(cè)云臺(tái)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)是非常有必要的。

1 整體方案設(shè)計(jì)

云臺(tái)系統(tǒng)主要由姿態(tài)采集轉(zhuǎn)發(fā)模塊和云臺(tái)組成，使用過(guò)程中還需視頻眼鏡、遙控器、接收機(jī)、飛控等設(shè)備的配合支持。系統(tǒng)組成如圖1所示。工作流程如圖2所示。

圖1 云臺(tái)系統(tǒng)組成

圖2 云臺(tái)系統(tǒng)工作流程圖

姿態(tài)采集轉(zhuǎn)發(fā)模塊固定在操作員頭部或者操作員佩戴的視頻眼鏡外部，實(shí)時(shí)采集操作員頭部的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。當(dāng)操作員的頭部姿態(tài)發(fā)生變化的時(shí)候，內(nèi)置的加速度計(jì)和陀螺儀采集操作員頭部姿態(tài)并將數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器。微處理器接收到頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)后，采用四元數(shù)互補(bǔ)濾波算法解析和融合姿態(tài)數(shù)據(jù)，并得到操作員的頭部姿態(tài)信息。微處理器再將得到的頭部姿態(tài)信息發(fā)送給無(wú)人機(jī)遙控器，將航向數(shù)據(jù)在PPM(Pulse Position Modulation脈沖位置調(diào)制)信號(hào)的第7通道輸出，俯仰數(shù)據(jù)在PPM信號(hào)的第8通道輸出。遙控器將收到的PPM信號(hào)與其他通道的信號(hào)進(jìn)行疊加，再通過(guò)遙控器發(fā)射機(jī)將信號(hào)傳送給無(wú)人機(jī)的接收機(jī)。接收機(jī)將接收到的信號(hào)發(fā)送給飛控，飛控接收到控制數(shù)據(jù)后，分離出第7通道數(shù)據(jù)作為航向控制數(shù)據(jù)，分離出第8通道數(shù)據(jù)作為俯仰控制數(shù)據(jù)，并將航向控制數(shù)據(jù)和俯仰控制數(shù)據(jù)傳送給云臺(tái)舵機(jī)。云臺(tái)舵機(jī)帶動(dòng)攝像頭動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)大范圍監(jiān)測(cè)視野和頭部姿態(tài)控制。

2 云臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

固定翼無(wú)人機(jī)在高速運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向過(guò)程中，云臺(tái)需要承受較大載荷和迎風(fēng)阻力，容易造成云臺(tái)振動(dòng)和偏移，輕則造成攝像頭畫(huà)質(zhì)不穩(wěn)，重則造成云臺(tái)結(jié)構(gòu)或者機(jī)體損壞[9]。其次，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中較大的結(jié)構(gòu)質(zhì)量容易產(chǎn)生云臺(tái)重心移動(dòng)，容易誘導(dǎo)振動(dòng)產(chǎn)生。因此，設(shè)計(jì)小體積、輕量化、易集成的云臺(tái)結(jié)構(gòu)是非常有必要的。

2.1 云臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)對(duì)機(jī)載設(shè)備的重量較為敏感，減輕機(jī)載設(shè)備的重量能夠提高無(wú)人機(jī)的續(xù)航、巡航速度和操控性能[10]。云臺(tái)常用的材料有鋁合金、碳纖維、塑料、復(fù)合材料、碳鋼等[9, 11]。ABS是塑料中廣泛應(yīng)用的材料之一，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度，同時(shí)穩(wěn)定性和低溫性能較好。ABS對(duì)比鋁合金和碳鋼具有密度小的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)比碳纖維和復(fù)合材料，具有成本低，易加工成型的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合本文設(shè)計(jì)的云臺(tái)結(jié)構(gòu)較為緊湊，所承載的攝像頭質(zhì)量較小，ABS材料的強(qiáng)度可以滿足云臺(tái)結(jié)構(gòu)的需求。因此，云臺(tái)主體結(jié)構(gòu)采用ABS材料。橡膠具有高彈性、低阻抗和高黏彈性，緩沖吸能特性明顯，是優(yōu)良的減振材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)云臺(tái)的減振結(jié)構(gòu)中[12]。因此，本文選用橡膠作為云臺(tái)的柔性減振材料。ABS和橡膠材料的力學(xué)性能如表1所示。

表1 材料的力學(xué)性能

本文設(shè)計(jì)的云臺(tái)由底板、橡膠塊、蓋板、航向支架、俯仰支架、攝像頭、航向舵機(jī)、俯仰舵機(jī)、錐齒輪等組成，如圖3所示，云臺(tái)參數(shù)如表2所示。

圖3 云臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

表2 云臺(tái)參數(shù)表

采用低密度的ABS材料作為云臺(tái)主體結(jié)構(gòu)材料，能夠有效減輕云臺(tái)重量，制作完成的云臺(tái)包含攝像頭總重量約為45 g，而市面上的常用航拍云臺(tái)重量一般不低于200 g[12]。航向舵機(jī)的動(dòng)力輸出通過(guò)一級(jí)錐齒輪機(jī)構(gòu)傳遞給航向支架的轉(zhuǎn)軸，不僅能夠使云臺(tái)結(jié)構(gòu)更加緊湊，而且有助于減少云臺(tái)重量。云臺(tái)的長(zhǎng)寬高為80 mm×40 mm×80 mm，結(jié)構(gòu)小巧緊湊，迎風(fēng)面積較小，能夠減少迎風(fēng)阻力，并且降低由風(fēng)阻變化誘發(fā)的振動(dòng)。為減少云臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因重心偏移所產(chǎn)生的重力不平衡力矩的影響，將航向舵機(jī)和舵機(jī)座設(shè)計(jì)在航向支架轉(zhuǎn)軸的一側(cè)，將俯仰支架和攝像頭設(shè)計(jì)在航向支架轉(zhuǎn)軸的另一側(cè)，并使其重力力矩平衡。云臺(tái)結(jié)構(gòu)的重心位置對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要影響[13]，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用SolidWorks軟件中設(shè)置云臺(tái)各個(gè)零件的密度、質(zhì)量和重心等參數(shù)，即可計(jì)算出云臺(tái)結(jié)構(gòu)的重心位置坐標(biāo)，再通過(guò)不斷調(diào)整航向舵機(jī)位置和優(yōu)化俯仰支架結(jié)構(gòu)的方法，使云臺(tái)結(jié)構(gòu)的重心位置位于航向支架的轉(zhuǎn)軸上。經(jīng)計(jì)算，云臺(tái)結(jié)構(gòu)的重心位置位于錐齒輪上端面下方約3.4 mm的位置。云臺(tái)的蓋板和底板之間設(shè)計(jì)有減振橡膠塊，橡膠塊可以通過(guò)自身的形變，吸收振動(dòng)能量，從而減輕無(wú)人機(jī)機(jī)體傳遞給云臺(tái)的振動(dòng)，提升拍攝畫(huà)面質(zhì)量。為了避免振動(dòng)過(guò)大造成減振塊脫落，中空減振塊內(nèi)部設(shè)計(jì)有安全銷釘。通過(guò)安全銷釘限制底板與航向支架的位移量，保障結(jié)構(gòu)安全。

2.2 云臺(tái)結(jié)構(gòu)仿真分析

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將忽略各處的摩擦，只分析迎風(fēng)阻力、慣性力和重力對(duì)云臺(tái)的影響。將云臺(tái)底板4個(gè)固定孔的3個(gè)方向位移自由度限制為0，模擬云臺(tái)底板與機(jī)體的固定約束。在俯仰支架與攝像頭的連接面上施加沿著豎直方向向下的0.06 N作用力，仿真攝像頭的重力?？紤]無(wú)人機(jī)在機(jī)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的水平慣性力，假設(shè)無(wú)人機(jī)以10 m/s2的水平加速度運(yùn)動(dòng)，因此在水平方向設(shè)置相應(yīng)的加速度。考慮無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中速度較快，云臺(tái)受到的迎風(fēng)阻力也不能忽略，根據(jù)式(1)[14]可知，在不考慮風(fēng)速的情況下，無(wú)人機(jī)相對(duì)氣流的飛行速度近似等于巡航速度，固定翼巡航速度一般為50～80 km/h，本文取70 km/h，并換算為19.4 m/s；迎風(fēng)面積近似等于俯仰支架迎風(fēng)面的面積，計(jì)算后約為0.009 m2；阻力系數(shù)可根據(jù)文獻(xiàn)[15]查表取為0.06；經(jīng)計(jì)算可得迎風(fēng)阻力約為0.13 N，方向沿水平方向；最后定義沿著豎直方向向下的9.8 m/s2的重力加速度。

(1)

式中：ρ——大氣密度，ρ=1.293 kg/m3；

v——相對(duì)氣流的飛行速度，v=19.4 m/s；

S——迎風(fēng)面積，S=0.009 m2；

C0——阻力系數(shù)，C0=0.06。

云臺(tái)經(jīng)靜力學(xué)分析后，應(yīng)力和形變分析結(jié)果云圖如圖4所示。最大應(yīng)力發(fā)生在航向支架的底部，最大應(yīng)力為0.5 MPa，遠(yuǎn)小于ABS材料的屈服極限值。云臺(tái)的最大變形為0.1 mm，位于航向舵機(jī)處，對(duì)正常工作產(chǎn)生的不良影響可以忽略。

(a) 應(yīng)力分析云圖

為保證云臺(tái)的良好工作，有必要進(jìn)行模態(tài)分析，以確定云臺(tái)結(jié)構(gòu)的固有頻率。模態(tài)分析結(jié)果如表3所示。實(shí)際航行過(guò)程中，無(wú)人機(jī)傳遞給云臺(tái)的振動(dòng)頻率一般集中于50～70 Hz之間[16-17]。由模態(tài)分析結(jié)果可知，容易產(chǎn)生共振的頻率范圍不在云臺(tái)模態(tài)分析的頻率范圍內(nèi)。因此，本文設(shè)計(jì)的云臺(tái)結(jié)構(gòu)不易產(chǎn)生共振。

表3 模態(tài)分析結(jié)果

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

微控制器和電源部分電路如圖5所示，ADXL345B加速度計(jì)和L3G4200陀螺儀部分的電路如圖6所示。

圖5 微控制器和電源電路圖

圖6 ADXL345B加速度計(jì)和L3G4200陀螺儀電路圖

頭部姿態(tài)采集轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要由加速度計(jì)、陀螺儀、微控制器、鋰電池、回中按鍵等組成。加速度計(jì)選擇ADXL345B三軸數(shù)字加速度計(jì)；陀螺儀采用L3G4200三軸數(shù)字陀螺儀；微控制器采用STM32微控制器；模塊中設(shè)計(jì)有姿態(tài)回中按鈕，可以通過(guò)按鍵強(qiáng)制云臺(tái)恢復(fù)初始姿態(tài)。

3.2 姿態(tài)解算方法

四元數(shù)姿態(tài)解算方法相對(duì)于歐拉角和方向余弦解算方法有著計(jì)算量小、維數(shù)低、運(yùn)算速度快、可以進(jìn)行全姿態(tài)解算的優(yōu)點(diǎn)[18]。姿態(tài)解算過(guò)程中，通常采用同時(shí)使用多種器件進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的方法[19]。互補(bǔ)濾波算法[20]比粒子濾波[21]和卡爾曼濾波[22]等算法計(jì)算量較小，較適合應(yīng)用于嵌入式平臺(tái)中。

姿態(tài)解算過(guò)程中，定義地理坐標(biāo)系Oxnynzn和機(jī)身坐標(biāo)系Oxbybzb。地理坐標(biāo)系的Oxn、Oyn和Ozn分別取正東、正北和天向。機(jī)身坐標(biāo)系Oxb沿著機(jī)身縱軸向前，Oyb沿著機(jī)身橫軸向左，Ozb沿著機(jī)身豎軸向上。Oxb、Oyb、Ozb分別對(duì)應(yīng)于機(jī)身的橫滾、俯仰和航向方向。

根據(jù)歐拉定理可知，機(jī)身坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)至地理坐標(biāo)系的姿態(tài)變換矩陣如式(2)所示。

(2)

式中：φ——橫滾角；

θ——俯仰角；

ψ——航向角。

三維空間的旋轉(zhuǎn)使用四元數(shù)進(jìn)行表示，由機(jī)身坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)為地理坐標(biāo)系的四元數(shù)姿態(tài)矩陣如式(3)所示。

(3)

式中：q1、q2、q3、q4——四元數(shù)。

通過(guò)四元數(shù)的姿態(tài)矩陣，可以進(jìn)一步解出所需的3個(gè)歐拉角，如式(4)所示。

(4)

令四元數(shù)q=q0+q1i+q2j+q3k，對(duì)時(shí)間t進(jìn)行微分運(yùn)算，可以得到其微分方程如式(5)所示。

(5)

式中：ωx——橫滾角速率；

ωy——俯仰角速率；

ωz——航向角速率。

對(duì)該微分方程采用一階龍格庫(kù)塔法求解，可以得到其迭代公式如式(6)所示。

(6)

通過(guò)式(5)～式(6)的不斷迭代可以求出當(dāng)前時(shí)刻的四元數(shù)，再通過(guò)式(2)～式(4)，便可得到當(dāng)前時(shí)刻機(jī)身坐標(biāo)系的橫滾角、俯仰角和航向角。

工作中，陀螺儀容易產(chǎn)生低頻積分漂移累積誤差，加速度計(jì)容易因振動(dòng)產(chǎn)生高頻噪聲干擾。依據(jù)陀螺儀和加速度計(jì)的輸出特性具有互補(bǔ)的特點(diǎn)[23-24]，采用互補(bǔ)濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。加速度計(jì)和陀螺儀的互補(bǔ)濾波實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖7所示，其中Φa表示加速度計(jì)的輸出數(shù)據(jù)，Φg表示陀螺儀的輸出數(shù)據(jù)，Φo表示輸出的融合數(shù)據(jù)。

圖7 互補(bǔ)濾波算法原理圖

互補(bǔ)濾波算法的傳遞函數(shù)框圖如圖8所示，傳遞函數(shù)如式(7)所示。Kp和Ki為互補(bǔ)濾波系數(shù)，范圍在0～1之間，本文經(jīng)過(guò)不斷的嘗試和調(diào)整，Kp取0.4，Ki取0.6時(shí)能夠得到較好的互補(bǔ)濾波結(jié)果。

圖8 互補(bǔ)濾波算法傳遞函數(shù)框圖

(7)

式中：Y1(s)——加速度計(jì)的輸出數(shù)據(jù)；

Y2(s)——陀螺儀的輸出數(shù)據(jù)。

將以上述四元數(shù)姿態(tài)解算和互補(bǔ)濾波融合算法在STM32嵌入式平臺(tái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，每100 ms進(jìn)行一次姿態(tài)解算和互補(bǔ)濾波。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試

4.1 動(dòng)態(tài)測(cè)試

為驗(yàn)證云臺(tái)系統(tǒng)姿態(tài)解算的準(zhǔn)確度，搭建了測(cè)試裝置。采用減速步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)姿態(tài)采集轉(zhuǎn)發(fā)模塊勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，減速比為200∶1，減速后的步進(jìn)角分辨率為0.009°，減速步進(jìn)電機(jī)可以有效地避免步進(jìn)電機(jī)的低速丟步和驅(qū)動(dòng)能力弱的問(wèn)題。測(cè)試過(guò)程中實(shí)時(shí)采集步進(jìn)電機(jī)輸出的實(shí)際角度和姿態(tài)采集轉(zhuǎn)發(fā)模塊輸出的融合后姿態(tài)角度，橫滾、俯仰和航向姿態(tài)角度對(duì)比如圖9所示。

(a) 俯仰姿態(tài)角對(duì)比

通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)可知，步進(jìn)電機(jī)在開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)和停止轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬間，由于加速度的突變會(huì)引入一些干擾，導(dǎo)致融合后的姿態(tài)數(shù)據(jù)在第0 s和第12 s附近的誤差稍大；在步進(jìn)電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，融合后的姿態(tài)角度能夠較好的對(duì)應(yīng)實(shí)際姿態(tài)角度，線性度誤差不超過(guò)2%，角度誤差不超過(guò)2°。

4.2 靜態(tài)測(cè)試

將姿態(tài)采集轉(zhuǎn)發(fā)模塊靜止放置于固定水平臺(tái)面，進(jìn)行600 s的靜止測(cè)試，觀測(cè)姿態(tài)的漂移情況，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖10所示。由測(cè)試結(jié)果可知：第600 s的俯仰和橫滾姿態(tài)角度漂移約為4°；第600 s的航向姿態(tài)角度漂移約為5.5°。

(a) 俯仰姿態(tài)角

4.3 對(duì)比測(cè)試與機(jī)載測(cè)試

為測(cè)試云臺(tái)的減振性能，將本文設(shè)計(jì)的云臺(tái)與多旋翼無(wú)人機(jī)航拍云臺(tái)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，航拍云臺(tái)總重量為310 g。搭建的測(cè)試設(shè)備和使用的測(cè)試方法如下：測(cè)試過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集云臺(tái)攝像頭的振動(dòng)狀態(tài)，常用的壓電式加速度傳感器體積和重量較大，安裝在云臺(tái)攝像頭上會(huì)影響振動(dòng)狀態(tài)，因此，文本采用體積小和重量輕的慣性加速度測(cè)量模塊MPU6050，并將加速度傳感器安裝在攝像頭上，加速度傳感器的x、y、z軸方向分別與機(jī)身坐標(biāo)系Oxb、Oyb、Ozb同向；采用大功率NRF24L01無(wú)線傳輸模塊實(shí)時(shí)傳輸振動(dòng)數(shù)據(jù)，該模塊的最大傳輸距離可達(dá)5 km；采用STM32F401微控制器控制NRF24L01無(wú)線傳輸模塊和MPU6050加速度傳感器，采用頻率100 Hz；地面數(shù)據(jù)接收端采用NRF24L01串口模塊，并利用LabView虛擬儀器平臺(tái)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)程序；測(cè)試過(guò)程中為降低其他環(huán)境因素的影響，本文設(shè)計(jì)的云臺(tái)和航拍云臺(tái)使用同一載機(jī)，兩次飛行測(cè)試間隔時(shí)間不超過(guò)20 min，并沿同一直線路徑飛行測(cè)試；由于航拍云臺(tái)為下方懸掛方式，本文制作了航拍云臺(tái)的機(jī)載連接板，并對(duì)機(jī)載連接板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，降低機(jī)載連接板對(duì)航拍云臺(tái)的振動(dòng)影響。測(cè)試裝置如圖11所示。

圖11 振動(dòng)測(cè)試裝置圖

首先進(jìn)行了勻速平飛對(duì)比測(cè)試，測(cè)試溫度約為32 ℃，地面風(fēng)速2級(jí)，無(wú)人機(jī)保持70 km/h的航速直線飛行，高度保持30 m。本文設(shè)計(jì)的云臺(tái)時(shí)域測(cè)量數(shù)據(jù)如圖12所示，航拍云臺(tái)的時(shí)域測(cè)量數(shù)據(jù)如圖13所示。

(a) x軸

(a) x軸

通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)可知：時(shí)域測(cè)量的加速度值在肉眼可見(jiàn)的范圍內(nèi)呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)，這主要是由空氣動(dòng)力現(xiàn)象顫振和擾流引起的振動(dòng)；本文云臺(tái)和航拍云臺(tái)z軸的加速度幅值均大于x軸和y軸，這主要是由于固定翼無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中升力來(lái)自主翼和尾翼，低頻振動(dòng)主要是繞主翼橫軸的振動(dòng)，導(dǎo)致安裝在機(jī)頭的云臺(tái)出現(xiàn)較大的z軸方向的振動(dòng)。振動(dòng)加速度的均方根值能在一定程度上代表被測(cè)部位振動(dòng)的激烈程度[25]，因此，本文以z軸加速度的均方根值作為振動(dòng)激烈程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。經(jīng)計(jì)算，本文云臺(tái)的z軸振動(dòng)加速度均方根值為0.32 m/s2，航拍云臺(tái)z軸振動(dòng)加速度均方根值為0.55 m/s2，本文云臺(tái)的z軸振動(dòng)加速度均方根值比航拍云臺(tái)的小41.8%，顯示出本文設(shè)計(jì)的云臺(tái)比航拍云臺(tái)具有更好的減振性能。

空氣動(dòng)力現(xiàn)象顫振和擾流引起的振動(dòng)主要是低頻振動(dòng)[26]，振動(dòng)加速度的頻譜圖可反映出振動(dòng)的幅值和頻次。將本文云臺(tái)和航拍云臺(tái)的z軸振動(dòng)加速度進(jìn)行快速傅里葉變換，得到的z軸振動(dòng)加速度頻譜圖如圖14所示。

(a) 本文云臺(tái)

由頻譜圖可知：本文設(shè)計(jì)云臺(tái)的振動(dòng)主要集中在3.3 Hz、10.8 Hz和11.3 Hz附近，且10.8 Hz和11.3 Hz頻率附近的振動(dòng)幅值較大；航拍云臺(tái)的振動(dòng)主要集中在3.0 Hz、9.9 Hz和10.6 Hz附近，且3.0 Hz 附近的頻率振動(dòng)幅值較大；顯示出在低頻范圍內(nèi)本文設(shè)計(jì)的云臺(tái)比航拍云臺(tái)具有更好地抗振顫和抗擾流性能。

為對(duì)比無(wú)人機(jī)在機(jī)動(dòng)過(guò)程中本文云臺(tái)和航拍云臺(tái)的減振性能，本文進(jìn)行機(jī)動(dòng)對(duì)比測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中將無(wú)人機(jī)保持平飛姿態(tài)，然后將副翼向右打滿，隨后將副翼向左打滿，最后將無(wú)人機(jī)恢復(fù)平飛姿態(tài)。測(cè)量出云臺(tái)的z軸振動(dòng)加速度如圖15所示。由測(cè)試結(jié)果可知：本文設(shè)計(jì)的云臺(tái)z軸振動(dòng)加速度最大幅值為7.28 m/s2，航拍云臺(tái)的z軸振動(dòng)加速度最大幅值為9.23 m/s2，本文設(shè)計(jì)的云臺(tái)z軸振動(dòng)加速度最大幅值比航拍云臺(tái)小21%。這主要由于航拍云臺(tái)的重量和慣性更大，無(wú)人機(jī)姿態(tài)變化后，航拍云臺(tái)的橡膠減振塊受到的力較大，形變較大，當(dāng)橡膠減振塊的形變達(dá)到最大值時(shí)，航拍云臺(tái)的限位結(jié)構(gòu)開(kāi)始剛性接觸，從而產(chǎn)生較大的振動(dòng)加速度。同時(shí)顯示出本文設(shè)計(jì)的云臺(tái)在機(jī)動(dòng)過(guò)程中具有更好的減振和抗振性能。

(a) 本文云臺(tái)

本文將制作完成的監(jiān)測(cè)云臺(tái)進(jìn)行裝機(jī)，先在地面進(jìn)行測(cè)試，操作員以正常的速度轉(zhuǎn)動(dòng)頭部，并觀測(cè)云臺(tái)的跟隨情況。隨后將無(wú)人機(jī)在田間進(jìn)行飛行測(cè)試，以測(cè)試云臺(tái)的工作情況。測(cè)試結(jié)果表明：云臺(tái)能實(shí)時(shí)跟隨操作員的頭部姿態(tài)，動(dòng)作延時(shí)較?。荒K的回中按鍵能夠?qū)⒃婆_(tái)姿態(tài)回歸初始位置；云臺(tái)振動(dòng)較小，回傳畫(huà)面穩(wěn)定，能夠在一定程度上發(fā)現(xiàn)農(nóng)田中存在的洪澇、干旱、倒伏、大面積病蟲(chóng)害等問(wèn)題，能夠滿足固定翼無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)距離農(nóng)田監(jiān)測(cè)需求。

5 結(jié)論

針對(duì)農(nóng)田監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)對(duì)云臺(tái)的需求，設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)云臺(tái)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)。(1)對(duì)云臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)和模態(tài)仿真分析，分析結(jié)果表明：云臺(tái)結(jié)構(gòu)合理，最大變形0.1 mm，最大應(yīng)力0.5 MPa，并且不易產(chǎn)生共振。(2)對(duì)云臺(tái)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，采用操作員頭部姿態(tài)控制的方式設(shè)計(jì)了云臺(tái)控制系統(tǒng)，研究了四元數(shù)和互補(bǔ)濾波融合算法應(yīng)用于姿態(tài)解算的問(wèn)題，并且進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測(cè)試、靜態(tài)測(cè)試、對(duì)比測(cè)試與機(jī)載測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：四元數(shù)和補(bǔ)濾波融合算法能夠較精確的解算姿態(tài)角度，角度誤差不超過(guò)2°，600 s的姿態(tài)角度漂移不超過(guò)5.5°；與多旋翼航拍云臺(tái)相比，本文設(shè)計(jì)的云臺(tái)具有更好的減振和抗振性能，平飛測(cè)試中振動(dòng)加速度均方根值比航拍云臺(tái)的小41.8%，機(jī)動(dòng)測(cè)試中振動(dòng)加速度最大幅值比航拍云臺(tái)小21%；云臺(tái)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠通過(guò)操作員的頭部姿態(tài)實(shí)時(shí)控制云臺(tái)，振動(dòng)較小，畫(huà)面清晰。該裝置能夠滿足固定翼無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)大型農(nóng)田的需求，能夠提供較好的便利性。