一種多旋翼無人機三軸穩(wěn)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(shù)、微型傳感器技術(shù)和高度集成處理器技術(shù)的快速發(fā)展和推廣應用，多旋翼無人機逐步向高效、多功能化方向發(fā)展，因其具有操作簡單方便、易于裝配維修和結(jié)構(gòu)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(nóng)林等多個領(lǐng)域[1-4]。穩(wěn)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(tǒng)，英國的Phoenix云臺系統(tǒng)，美軍“捕食者”戰(zhàn)略無人機上裝備的“天球”云臺系統(tǒng)等[5]。穩(wěn)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(fā)展和對其功能要求的不斷提高，一些傳統(tǒng)的穩(wěn)定云臺已經(jīng)不能滿足其發(fā)展的需要。首先，多旋翼無人機在高速移動或者轉(zhuǎn)向的情況下，機身往往受到來自外部環(huán)境產(chǎn)生的振動和偏移，從而造成航拍圖像的不穩(wěn)定，畫面出現(xiàn)橫紋、斷層現(xiàn)象甚至偏離拍攝目標。其次，由于傳統(tǒng)云臺重量較大且結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(zhì)量的提高。

因此，為了更好地實現(xiàn)對航拍目標的不間斷、高質(zhì)量的實時視頻畫面?zhèn)鬏?，本研究借助?shù)字化設計技術(shù)和計算機仿真技術(shù)，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(wěn)定云臺，并對其結(jié)構(gòu)進行靜力學校核和動力學分析。

1 云臺的結(jié)構(gòu)設計

無人機穩(wěn)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(jù)遙控信號及時調(diào)整系統(tǒng)姿態(tài)。其次，處理并應對來自無人機飛行過程中產(chǎn)生的振動并隨即做出位移補償以便達到穩(wěn)像的功能。

云臺控制系統(tǒng)主要由主控器電路板、MPU6050傳感器、電機驅(qū)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(tài)信號。首先，在云臺工作時受到來自外部環(huán)境產(chǎn)生的振動和偏移時，安裝在相機殼體內(nèi)的MPU6050姿態(tài)控制傳感器將感知并實時捕捉相機殼體運行過程中產(chǎn)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(tài)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(qū)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(diào)整，以此達到穩(wěn)像的目的。

圖1 云臺控制系統(tǒng)流程圖

為了滿足上述要求，云臺往往需要一配套的機械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)其具體的功能。云臺結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無人機云臺結(jié)構(gòu)圖

其主要結(jié)構(gòu)設計如下：

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

(2)支撐結(jié)構(gòu)(圖2中標號2)。與無人機機體直接連接，作為云臺系統(tǒng)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(jié)構(gòu)(圖2中標號3)。通過柔性結(jié)為云臺吸收來自無人機在運行過程中產(chǎn)生的振動；

(4)旋轉(zhuǎn)連接結(jié)構(gòu)(圖2中標號4)。為云臺提供3個軸方向上旋轉(zhuǎn)支撐和動力，各軸節(jié)點上裝配有符合規(guī)格的微型直流無刷電機以確保云臺系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)控機加工成型，構(gòu)成云臺的主體結(jié)構(gòu)。本研究設計的云臺不同結(jié)構(gòu)件共有13件，通過對這些零件的結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(shù)家開始采用“設計”的方式進行創(chuàng)作。他們有意識地跟隨廣告業(yè)照亮的道路，運用想象與才智掙脫了古典現(xiàn)代主義的束縛。他們不是在現(xiàn)實世界中尋找主題，直接“拍攝”，而是選擇自行“創(chuàng)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(tài)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)間接承載和不承載的零件材料，同時選擇橡膠作為柔性結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的設計

相機殼體結(jié)構(gòu)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(zhì)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(shù)量的孔作為相機SD與HDMI連線接口以滿足航拍、轉(zhuǎn)動、擴展等要求。殼體內(nèi)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(nèi)置的微型無刷電機以作為橫軸上的動力源?？紤]到零件的易加工性，相機殼體結(jié)構(gòu)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(jié)劑粘貼。相機殼體與旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)通過殼體兩側(cè)的同軸進行定位安裝。

1.3 云臺旋轉(zhuǎn)連接結(jié)構(gòu)的設計

旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)主要零件分別為縱軸和俯仰軸方向上的懸臂結(jié)構(gòu)和其附屬連接蓋子。旋轉(zhuǎn)連接結(jié)構(gòu)主要負責橫縱軸與俯仰軸方向上的轉(zhuǎn)動，本研究采用對稱雙臂設計以加強云臺旋轉(zhuǎn)自穩(wěn)性，雖然這樣設計比傳統(tǒng)的單臂結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的扭矩，提升整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(jié)構(gòu)更為美觀。

1.4 云臺支撐結(jié)構(gòu)及減震結(jié)構(gòu)的設計

支撐結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)主要起到了吸收來自無人機在運行過程中產(chǎn)生的振動的作用。本研究采用橡膠制成的中空柔性結(jié)作為云臺的阻尼減振器。云臺在振動過程中柔性結(jié)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(jié)構(gòu)受到損傷。根據(jù)云臺的大小選擇適合的柔性結(jié)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(jié)在長時間下經(jīng)過反復形變，容易產(chǎn)生裂痕。如果不及時更換，裂痕會繼續(xù)擴展直至完全損壞，影響到整體系統(tǒng)的安全。因此，為了防止柔性結(jié)脫落或者斷裂，需在柔性結(jié)的中空位置插入安全銷釘(銷釘?shù)拈L度要大于柔性結(jié)的最大拉伸量)。另外，支撐結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)連接結(jié)構(gòu)通過俯仰電機軸及微型滾針軸承進行連接。

1.5 云臺結(jié)構(gòu)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(jié)果表明：云臺的設計達到了預想的要求。

云臺系統(tǒng)總重約190 g；俯仰軸最大轉(zhuǎn)動角度±30°；橫軸最大轉(zhuǎn)動角度±45°；縱軸最大轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)件的材料屬性賦予。為了簡化計算，筆者將相機殼體結(jié)構(gòu)和部分其他非主要結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)微小的影響。由于本研究設計的云臺零件具有不規(guī)則的外形，在進行網(wǎng)格劃分時采用自適應實體單元進行網(wǎng)格劃分，設置全局網(wǎng)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(jié)構(gòu)中旋轉(zhuǎn)連接部分這些可能出現(xiàn)應力集中的部位適當減小網(wǎng)格尺寸。最后劃分完成后的云臺模型節(jié)點Nodes總數(shù)為132 083個，單元Elements總數(shù)為67 416個。在云臺的載荷設置過程中，除了云臺主體結(jié)構(gòu)的自身重量外，還需在一些關(guān)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(chǎn)生的重力；在懸架內(nèi)側(cè)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(chǎn)生的重力；在俯仰軸懸臂的下側(cè)(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(chǎn)生的重力；最后在全局坐標系中設置重力加速度，這將產(chǎn)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(jié)構(gòu)受到的自重，同時考慮到無人機運行時會產(chǎn)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(wǎng)格劃分及載荷加載示意如圖3所示。

圖3 有限元網(wǎng)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(jié)果表明：最大應力發(fā)生于旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)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?？梢钥闯觯瑘D4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(chǎn)生了微小形變，但對于整個系統(tǒng)而言，0.14 mm的最大形變對于三軸穩(wěn)定平臺的正常使用不會產(chǎn)生任何不良影響。

3 云臺的模態(tài)分析

具有多旋翼電機組的無人機在運行狀態(tài)下產(chǎn)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(chǎn)生的影響，這種影響也會隨著電機數(shù)量的增加而變得更復雜，多個電機同時運行時所產(chǎn)生的振動將直接積累到整個系統(tǒng)上。其次，各旋翼的轉(zhuǎn)速會存在微小的差別，多旋翼轉(zhuǎn)動時不能完全抵消各自所產(chǎn)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(xiàn)象。所以，多旋翼無人機會同時受到來自自身旋翼轉(zhuǎn)動所產(chǎn)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(tài)分析來確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型等模態(tài)參數(shù)[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(qū)間段的模態(tài)振型，對云臺結(jié)構(gòu)進行六階模態(tài)分析。云臺的六階模態(tài)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(tài)云圖

可以看出：一階、二階振型是彎曲振型，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)沿橫軸彎曲。五階和六階振型是扭轉(zhuǎn)振型，結(jié)構(gòu)沿俯仰軸扭轉(zhuǎn)，可以看出結(jié)構(gòu)受到扭轉(zhuǎn)后變形較大，最大位移均集中在頂架和柔性結(jié)處。同時可以看出：易產(chǎn)生共振的頻率范圍介于結(jié)構(gòu)的第二階與第三階固有頻率之間，超過第三階后結(jié)構(gòu)的固有頻率都十分遠離這一階段，因此不會產(chǎn)生共振。說明振動對云臺工作不會產(chǎn)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(jié)對云臺減震能力的影響，未使用柔性結(jié)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(jié)的模態(tài)參數(shù)

可以看出：未加入柔性結(jié)的云臺各階振型頻率遠超加入柔性結(jié)后的云臺頻率，每階模態(tài)對應的最大位移量也相對提高了不少?；仡檲D5的六階振型圖，云臺結(jié)構(gòu)的最大位移處均出現(xiàn)在頂架和柔性結(jié)上，而下方的安裝相機和電機的結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)較大位移偏移，云臺的穩(wěn)定性十分良好。由此可以看出，柔性結(jié)對云臺整體減振效果起到了關(guān)鍵作用。

4 結(jié)束語

本研究使用Inventor自主設計了一種多旋翼無人機三軸穩(wěn)定云臺，并對云臺姿態(tài)補償原理和各結(jié)構(gòu)零部件的設計進行了分析說明，同時通過ANSYS Workbench對結(jié)構(gòu)進行了靜力學強度剛度校核和動力學模態(tài)分析，得到的相關(guān)仿真結(jié)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(jié)構(gòu)相對比較復雜，具有不規(guī)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(shù)據(jù)信號采集儀得到無人機運行過程中云臺的真實模態(tài)參數(shù)，并與仿真數(shù)據(jù)進行對比，最大化地降低設計誤差，為后續(xù)云臺系統(tǒng)的優(yōu)化升級和減震技術(shù)的研究提供參考。

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