宋 科(昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)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(yīng)用，多旋翼無人機(jī)逐步向高效、多功能化方向發(fā)展，因其具有操作簡(jiǎn)單方便、易于裝配維修和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)迅速成為無人機(jī)中的新貴，并廣泛應(yīng)用于航空航海、軍事、警用民用、農(nóng)林等多個(gè)領(lǐng)域[1-4]。穩(wěn)定云臺(tái)作為無人機(jī)平臺(tái)上的重要部件，已被世界各國(guó)廣泛研究與應(yīng)用。例如，以色列軍方研制的MOSP云臺(tái)系統(tǒng)，英國(guó)的Phoenix云臺(tái)系統(tǒng)，美軍“捕食者”戰(zhàn)略無人機(jī)上裝備的“天球”云臺(tái)系統(tǒng)等[5]。穩(wěn)定云臺(tái)可搭載多種傳感器和光學(xué)精密儀器，其主要用于民用航拍、地形測(cè)繪、反恐偵察、目標(biāo)跟蹤識(shí)別等用途[6]。然而，隨著多旋翼無人機(jī)的快速發(fā)展和對(duì)其功能要求的不斷提高，一些傳統(tǒng)的穩(wěn)定云臺(tái)已經(jīng)不能滿足其發(fā)展的需要。首先，多旋翼無人機(jī)在高速移動(dòng)或者轉(zhuǎn)向的情況下，機(jī)身往往受到來自外部環(huán)境產(chǎn)生的振動(dòng)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(biāo)。其次，由于傳統(tǒng)云臺(tái)重量較大且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不佳，在對(duì)無人機(jī)造成較大負(fù)荷的同時(shí)也不利于航拍畫面質(zhì)量的提高。

因此，為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)航拍目標(biāo)的不間斷、高質(zhì)量的實(shí)時(shí)視頻畫面?zhèn)鬏?，本研究借助?shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，以小巧、易裝配及輕量化為目標(biāo)導(dǎo)向設(shè)計(jì)一款以多旋翼無人機(jī)為搭載平臺(tái)的小型三軸穩(wěn)定云臺(tái)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)校核和動(dòng)力學(xué)分析。

1 云臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無人機(jī)穩(wěn)定云臺(tái)為了滿足功能需求應(yīng)該具有以下兩個(gè)方面的特點(diǎn)：首先，根據(jù)遙控信號(hào)及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)姿態(tài)。其次，處理并應(yīng)對(duì)來自無人機(jī)飛行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)并隨即做出位移補(bǔ)償以便達(dá)到穩(wěn)像的功能。

云臺(tái)控制系統(tǒng)主要由主控器電路板、MPU6050傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和直流無刷電機(jī)組成。主控器電路板安裝在懸架上負(fù)責(zé)處理來自三軸的加速度與姿態(tài)信號(hào)。首先，在云臺(tái)工作時(shí)受到來自外部環(huán)境產(chǎn)生的振動(dòng)和偏移時(shí)，安裝在相機(jī)殼體內(nèi)的MPU6050姿態(tài)控制傳感器將感知并實(shí)時(shí)捕捉相機(jī)殼體運(yùn)行過程中產(chǎn)生的偏移角度和橫軸、縱軸、俯仰軸3個(gè)坐標(biāo)軸上的角度偏移和震動(dòng)狀況，并將相應(yīng)的角度和加速度信號(hào)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(hào)傳遞給三軸上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出PWM信號(hào)，隨即對(duì)無刷直流電機(jī)進(jìn)行橫軸、縱軸、俯仰軸上的位移和角度的調(diào)整，以此達(dá)到穩(wěn)像的目的。

圖1 云臺(tái)控制系統(tǒng)流程圖

為了滿足上述要求，云臺(tái)往往需要一配套的機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)其具體的功能。云臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無人機(jī)云臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

其主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：

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

(2)支撐結(jié)構(gòu)(圖2中標(biāo)號(hào)2)。與無人機(jī)機(jī)體直接連接，作為云臺(tái)系統(tǒng)的底座，其主要功能是保護(hù)主控器電路板、固定安裝俯仰電機(jī)和支撐云臺(tái)的其他零部件；

(3)減振結(jié)構(gòu)(圖2中標(biāo)號(hào)3)。通過柔性結(jié)為云臺(tái)吸收來自無人機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)；

(4)旋轉(zhuǎn)連接結(jié)構(gòu)(圖2中標(biāo)號(hào)4)。為云臺(tái)提供3個(gè)軸方向上旋轉(zhuǎn)支撐和動(dòng)力，各軸節(jié)點(diǎn)上裝配有符合規(guī)格的微型直流無刷電機(jī)以確保云臺(tái)系統(tǒng)的位移補(bǔ)償，同時(shí)為其余電子元件和無刷電機(jī)提供保護(hù)。

1.1 云臺(tái)主體結(jié)構(gòu)的材料選擇

除了相機(jī)、無刷電機(jī)和其他電子元件外，云臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)還需要大量的支撐零件來進(jìn)行連接與固定。這些零件通過Inventor軟件設(shè)計(jì)出來，之后將通過數(shù)控機(jī)加工成型，構(gòu)成云臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)。本研究設(shè)計(jì)的云臺(tái)不同結(jié)構(gòu)件共有13件，通過對(duì)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(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。因此，在選擇材料的時(shí)候應(yīng)考慮如下幾點(diǎn)要求：

20世紀(jì)80年代以來，越來越多的攝影藝術(shù)家開始采用“設(shè)計(jì)”的方式進(jìn)行創(chuàng)作。他們有意識(shí)地跟隨廣告業(yè)照亮的道路，運(yùn)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(shí)世界中尋找主題，直接“拍攝”，而是選擇自行“創(chuàng)造”一個(gè)全新的視覺世界。

(1)材料必須易加工成型，便于裝配；

(2)云臺(tái)在工作狀態(tài)下承受交變載荷和隨機(jī)振動(dòng)的多重影響，因此在材料的選擇上必須使用比強(qiáng)度較高的材料，這樣既可以滿足強(qiáng)度、剛度和耐久度的要求，同時(shí)也滿足了云臺(tái)輕量化的設(shè)計(jì)要求。

因此，本研究選擇鋁合金作為云臺(tái)結(jié)構(gòu)中直接承載零件的材料和起保護(hù)作用的相機(jī)殼體的材料，而選擇ABS作為云臺(tái)結(jié)構(gòu)間接承載和不承載的零件材料，同時(shí)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(xué)性能如表1所示。

表1 3種材料的力學(xué)性能

云臺(tái)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(tái)相機(jī)殼體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

相機(jī)殼體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)既要考慮實(shí)用性,也要考慮美觀性,因此本研究采用球形殼體的設(shè)計(jì)作為安裝CCD相機(jī)和傳感器的載體,避免雜質(zhì)和灰塵對(duì)這些精密元件的損害。同時(shí)，在殼體上預(yù)留出一定數(shù)量的孔作為相機(jī)SD與HDMI連線接口以滿足航拍、轉(zhuǎn)動(dòng)、擴(kuò)展等要求。殼體內(nèi)部除了保證相機(jī)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(jī)以作為橫軸上的動(dòng)力源。考慮到零件的易加工性，相機(jī)殼體結(jié)構(gòu)分為3個(gè)零件：相機(jī)主殼、相機(jī)前蓋、相機(jī)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(jī)殼體與旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)通過殼體兩側(cè)的同軸進(jìn)行定位安裝。

1.3 云臺(tái)旋轉(zhuǎn)連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

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(fù)責(zé)橫縱軸與俯仰軸方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)，本研究采用對(duì)稱雙臂設(shè)計(jì)以加強(qiáng)云臺(tái)旋轉(zhuǎn)自穩(wěn)性，雖然這樣設(shè)計(jì)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(jī)及傳感器元器件的載荷就會(huì)落在對(duì)稱的橫軸上，這有助于減小產(chǎn)生的扭矩，提升整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時(shí)也降低了無刷電機(jī)的補(bǔ)償能耗，外觀上也比單臂結(jié)構(gòu)更為美觀。

1.4 云臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)及減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

支撐結(jié)構(gòu)主要零件有連接固定無人機(jī)的頂架和安裝固定和保護(hù)俯仰電機(jī)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(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)的作用。本研究采用橡膠制成的中空柔性結(jié)作為云臺(tái)的阻尼減振器。云臺(tái)在振動(dòng)過程中柔性結(jié)將克服振動(dòng)阻尼通過自身的變形吸能從而達(dá)到減小振動(dòng)的目的，從而防止云臺(tái)上其他結(jié)構(gòu)受到損傷。根據(jù)云臺(tái)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(shí)際使用過程中，柔性結(jié)在長(zhǎng)時(shí)間下經(jīng)過反復(fù)形變，容易產(chǎn)生裂痕。如果不及時(shí)更換，裂痕會(huì)繼續(xù)擴(kuò)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(zhǎng)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(jī)軸及微型滾針軸承進(jìn)行連接。

1.5 云臺(tái)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(duì)云臺(tái)裝配體進(jìn)行重力分析和運(yùn)動(dòng)仿真檢測(cè)。結(jié)果表明：云臺(tái)的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)想的要求。

云臺(tái)系統(tǒng)總重約190 g；俯仰軸最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度±30°；橫軸最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度±45°；縱軸最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度±30°。

2 云臺(tái)的載荷分析

本研究將Inventor裝配體模型導(dǎo)出為IGS文件格式后，再導(dǎo)入到ANSYS Workbench中[8]，按表2所示的材料匹配進(jìn)行云臺(tái)各結(jié)構(gòu)件的材料屬性賦予。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，筆者將相機(jī)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(jī)、電機(jī)等重量置換成載荷以進(jìn)行分析，忽略定位軸和滾珠軸承對(duì)云臺(tái)結(jié)構(gòu)微小的影響。由于本研究設(shè)計(jì)的云臺(tái)零件具有不規(guī)則的外形，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)采用自適應(yīng)實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置全局網(wǎng)格單元尺寸為2 mm，同時(shí)為了盡可能地提高仿真計(jì)算的精度，筆者對(duì)云臺(tái)結(jié)構(gòu)中旋轉(zhuǎn)連接部分這些可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位適當(dāng)減小網(wǎng)格尺寸。最后劃分完成后的云臺(tái)模型節(jié)點(diǎn)Nodes總數(shù)為132 083個(gè)，單元Elements總數(shù)為67 416個(gè)。在云臺(tái)的載荷設(shè)置過程中，除了云臺(tái)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(gè)固定孔軸處(A處)將3個(gè)方向的位移自由度設(shè)置為0，模擬頂架與無人機(jī)機(jī)體的約束固定；在縱軸旋臂的定位軸上(B處)，施加一個(gè)沿Y軸向下0.6 N的作用力，模擬相機(jī)殼體、相機(jī)、橫軸電機(jī)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(gè)沿Y軸向下0.4 N的作用力，模擬主控電路板和俯仰電機(jī)所產(chǎn)生的重力；在俯仰軸懸臂的下側(cè)(D處)，施加一個(gè)沿Y軸向下0.3 N的作用力，模擬縱軸電機(jī)和傳感器所產(chǎn)生的重力；最后在全局坐標(biāo)系中設(shè)置重力加速度，這將產(chǎn)生一個(gè)大小為9.806 65 m/s2的加速度，定義其沿Y軸向下模擬云臺(tái)結(jié)構(gòu)受到的自重，同時(shí)考慮到無人機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的水平慣性力，因此假設(shè)無人機(jī)以10 m/s2的水平加速度飛行，在全局坐標(biāo)系中設(shè)置一個(gè)相應(yīng)加速度(F處)，方向沿Z軸負(fù)方向。

簡(jiǎn)化后的云臺(tái)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(tái)靜力學(xué)等效應(yīng)力和變形如圖4所示。

圖4 靜力學(xué)應(yīng)力及變形圖

結(jié)果表明：最大應(yīng)力發(fā)生于旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連接處。其最大應(yīng)力為3.34 MPa，該部位材料為鋁合金，其屈服強(qiáng)度極限為255 MPa?？梢钥闯?，圖4中的最大等效應(yīng)力值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服極限值。云臺(tái)也產(chǎn)生了微小形變，但對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，0.14 mm的最大形變對(duì)于三軸穩(wěn)定平臺(tái)的正常使用不會(huì)產(chǎn)生任何不良影響。

3 云臺(tái)的模態(tài)分析

具有多旋翼電機(jī)組的無人機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下產(chǎn)生的振動(dòng)較固定翼無人機(jī)要復(fù)雜。首先，多旋翼無人機(jī)在運(yùn)行時(shí)直接受到來自各電機(jī)所產(chǎn)生的影響，這種影響也會(huì)隨著電機(jī)數(shù)量的增加而變得更復(fù)雜，多個(gè)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)將直接積累到整個(gè)系統(tǒng)上。其次，各旋翼的轉(zhuǎn)速會(huì)存在微小的差別，多旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不能完全抵消各自所產(chǎn)生的扭矩，同時(shí)在戶外飛行時(shí)各旋翼由于空氣來流情況復(fù)雜，這也將導(dǎo)致升力不平衡的現(xiàn)象。所以，多旋翼無人機(jī)會(huì)同時(shí)受到來自自身旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的影響和來自外界空氣流動(dòng)的影響。為了確保所設(shè)計(jì)的云臺(tái)能滿足復(fù)雜振動(dòng)工況下的要求，要進(jìn)行動(dòng)力學(xué)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(shí)際情況下，傳遞給云臺(tái)的振動(dòng)頻率一般集中于50 Hz～70 Hz之間[10-11]。因此，筆者重點(diǎn)分析集中在這一區(qū)間段的模態(tài)振型，對(duì)云臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行六階模態(tài)分析。云臺(tái)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(tái)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(shí)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(yuǎn)離這一階段，因此不會(huì)產(chǎn)生共振。說明振動(dòng)對(duì)云臺(tái)工作不會(huì)產(chǎn)生較大的影響，整個(gè)設(shè)計(jì)是合理可靠的[12-13]。

為了進(jìn)一步說明柔性結(jié)對(duì)云臺(tái)減震能力的影響，未使用柔性結(jié)的云臺(tái)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(tái)各階振型頻率遠(yuǎn)超加入柔性結(jié)后的云臺(tái)頻率，每階模態(tài)對(duì)應(yīng)的最大位移量也相對(duì)提高了不少?；仡檲D5的六階振型圖，云臺(tái)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(jī)和電機(jī)的結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)較大位移偏移，云臺(tái)的穩(wěn)定性十分良好。由此可以看出，柔性結(jié)對(duì)云臺(tái)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(shè)計(jì)了一種多旋翼無人機(jī)三軸穩(wěn)定云臺(tái)，并對(duì)云臺(tái)姿態(tài)補(bǔ)償原理和各結(jié)構(gòu)零部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析說明，同時(shí)通過ANSYS Workbench對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)強(qiáng)度剛度校核和動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析，得到的相關(guān)仿真結(jié)果佐證了該設(shè)計(jì)是合理可靠的。

由于本設(shè)計(jì)的云臺(tái)零部件結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)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(shí)際的云臺(tái)裝配體，之后再通過高性能數(shù)據(jù)信號(hào)采集儀得到無人機(jī)運(yùn)行過程中云臺(tái)的真實(shí)模態(tài)參數(shù)，并與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，最大化地降低設(shè)計(jì)誤差，為后續(xù)云臺(tái)系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)和減震技術(shù)的研究提供參考。

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