陸葉，鄧梓光，陳錦銘

石化管道巡檢的多旋翼無人機(jī)云臺(tái)的設(shè)計(jì)

陸葉1，鄧梓光2，陳錦銘1

（1.茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電信息系，廣東 茂名 525000；2.三贏科技（深圳）有限公司，廣東 深圳 518000）

針對(duì)石化管道巡檢無人機(jī)所搭載的云臺(tái)在強(qiáng)度剛度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面要求高的問題，設(shè)計(jì)了一種以多旋翼無人機(jī)為平臺(tái)的三軸云臺(tái)。根據(jù)工況要求設(shè)計(jì)了無人機(jī)的機(jī)體，同時(shí)對(duì)云臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、所受載荷等方面進(jìn)行分析，運(yùn)用UG NX軟件的高級(jí)仿真模塊建立了云臺(tái)的有限元模型，解算該模型，分析靜力學(xué)應(yīng)力應(yīng)變及動(dòng)力學(xué)四階模態(tài)振型。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)，制作了云臺(tái)樣機(jī)，并掛載在無人機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明：該云臺(tái)在強(qiáng)度剛度、減振性能上滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，設(shè)計(jì)合理可行。

石化管道巡檢；多旋翼；無人機(jī)云臺(tái)

目前無人機(jī)在航拍、農(nóng)業(yè)、植保等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在石化管道巡檢方面，傳統(tǒng)的人工巡線方法所花時(shí)間長(zhǎng)、人力成本高、困難大，而無人機(jī)能搭載多種傳感器，進(jìn)行管道泄漏檢測(cè)作業(yè)，不僅具有更高更全的視角，還能進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域觀察收集信息，大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減少安全事故的發(fā)生，降低經(jīng)濟(jì)損失的風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。發(fā)達(dá)國(guó)家早已開始利用無人機(jī)進(jìn)行石化設(shè)備巡檢的研究及應(yīng)用[3]，而我國(guó)在這方面的研究還處于起步階段[4]。為了配合石化管道巡檢的任務(wù)，無人機(jī)需要云臺(tái)來搭載如運(yùn)動(dòng)相機(jī)等各種傳感器，用于實(shí)時(shí)傳輸圖像和數(shù)據(jù)。云臺(tái)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性決定了其工作性能，直接影響了無人機(jī)巡檢的效果。因此，本文利用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)，對(duì)石化管道巡檢無人機(jī)的云臺(tái)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、靜力學(xué)校驗(yàn)及動(dòng)力學(xué)分析。

1 無人機(jī)云臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 云臺(tái)的結(jié)構(gòu)

石化管道巡檢的無人機(jī)工作時(shí)，搭載高清攝像頭和各種精密的檢測(cè)儀器（如氣體報(bào)警儀、超聲波檢測(cè)儀等），在自動(dòng)或遙控飛行模式下，在石化管道等設(shè)備上空沿線飛行，且需具備檢測(cè)、防爆、耐高溫、抗風(fēng)等功能。比較了目前各種無人機(jī)的優(yōu)劣，其中多旋翼無人機(jī)能夠垂直起飛和降落，具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性和可操作性，且易于控制，能很好地滿足石化加工環(huán)境的要求，因此石化管道巡檢的無人機(jī)采用六旋翼無人機(jī)。利用UG NX軟件設(shè)計(jì)的無人機(jī)如圖1所示。

圖1 無人機(jī)三維模型圖

無人機(jī)上面掛載的云臺(tái)要能夠接收地面遙控指令并根據(jù)指令進(jìn)行調(diào)整或保持云臺(tái)的特定姿態(tài)；對(duì)工作中無人機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，以保證無人機(jī)上的任務(wù)載荷能實(shí)現(xiàn)巡檢作業(yè)。無人機(jī)云臺(tái)一般分為能左右旋轉(zhuǎn)的二軸云臺(tái)和能左右、上下旋轉(zhuǎn)的三軸全方位云臺(tái)。由于石化管道巡檢需要大范圍、多角度進(jìn)行掃描監(jiān)視，因此本設(shè)計(jì)采用三軸云臺(tái)方案，該云臺(tái)有三個(gè)活動(dòng)自由度：繞軸旋轉(zhuǎn)為俯仰軸，繞軸旋轉(zhuǎn)為橫滾軸，繞軸旋轉(zhuǎn)為方位軸，每個(gè)軸都由電機(jī)控制，電機(jī)接收來自控制模塊的信號(hào)精確地運(yùn)行定位，實(shí)現(xiàn)云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的控制。

設(shè)計(jì)的云臺(tái)由控制模塊、傳感器模塊、動(dòng)力模塊、減振結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和連接結(jié)構(gòu)組成。其中控制模塊主要是主控板，采用STM32處理器，通過傳感器將云臺(tái)末端姿態(tài)讀出，再與無人機(jī)主控傳感器的姿態(tài)角比較，發(fā)出控制信號(hào)讓電機(jī)及時(shí)做出動(dòng)作修正，從而使裝在云臺(tái)上的相機(jī)等外部傳感器時(shí)刻保持初始平衡位置。傳感器模塊主要是陀螺儀和加速度傳感器MPU6050，用于感應(yīng)云臺(tái)末端姿態(tài)位置，反饋給主控板。動(dòng)力模塊包括直流無刷電機(jī)、磁環(huán)等，無刷電機(jī)裝在云臺(tái)機(jī)架的各個(gè)軸連接處，從主控板接收信號(hào)，調(diào)節(jié)云臺(tái)的各軸到相應(yīng)的位置，是云臺(tái)保持穩(wěn)定的重要零件。磁環(huán)是一塊環(huán)狀的導(dǎo)磁體，對(duì)高頻噪聲起到抑制作用，用于配合無刷電機(jī)。減振結(jié)構(gòu)主要是減振球，用于緩沖無人機(jī)作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，減振球一般采用橡膠材料，長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)形變?nèi)菀桩a(chǎn)生裂痕，因此需要及時(shí)更換，在減振球軸孔插入銷釘防止其振裂脫落。支撐結(jié)構(gòu)與無人機(jī)機(jī)體相連接，是整個(gè)云臺(tái)的支撐，主要零件有頂板和懸架，頂板根據(jù)采用多孔樣式設(shè)計(jì)，便于不同型號(hào)的無人機(jī)搭載，增加了云臺(tái)的應(yīng)用范圍。支撐結(jié)構(gòu)的主要功能是連接無人機(jī)，保護(hù)主控板、固定電機(jī)和支撐云臺(tái)上的其他元件。連接結(jié)構(gòu)可以連接云臺(tái)三個(gè)方向的軸，保護(hù)無刷電機(jī)等電子元件。無人機(jī)進(jìn)行石化管道巡檢是需搭載相機(jī)等設(shè)備進(jìn)行航拍，因此云臺(tái)需設(shè)計(jì)有相機(jī)固定板，相機(jī)可以通過螺紋孔或者扎帶連接上俯仰軸和相機(jī)固定板。云臺(tái)三維模型如圖2所示。

云臺(tái)系統(tǒng)總重約170 g，安裝上相機(jī)約250 g；俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度為-30°～+30°；橫滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度為-45°～+45°；方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度為-180°～+180°。

1.相機(jī)固定板 2.支撐結(jié)構(gòu) 3.減振結(jié)構(gòu)4.連接結(jié)構(gòu)

1.2 云臺(tái)主體結(jié)構(gòu)的材料

云臺(tái)除了無刷電機(jī)、傳感器等電子元件外，還有其他機(jī)械零件，這些零件材料性能的好壞，對(duì)無人機(jī)起到至關(guān)重要的作用，必須滿足輕量化、易加工、易裝配、夠強(qiáng)度等要求，才能保證云臺(tái)的整體性能，從而實(shí)現(xiàn)云臺(tái)位置的實(shí)時(shí)精確調(diào)整。因此選擇鋁合金作為云臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)中如支撐結(jié)構(gòu)、連接結(jié)構(gòu)等起承載、固定零件作用的部件材料[5]，選擇橡膠作為減振球的材料。云臺(tái)主要零件材料如表1所示。

表1 云臺(tái)主要零件材料

2 云臺(tái)的靜力學(xué)校核

為驗(yàn)證無人機(jī)云臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，需進(jìn)行相關(guān)的力學(xué)分析[6-7]。UG NX軟件是一款較全面的機(jī)械設(shè)計(jì)分析軟件，其中高級(jí)仿真模塊具備有對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行有限元分析的功能，其工作流程是建立產(chǎn)品的有限元模型，通過軟件內(nèi)置的NX Nastran等解算器解算模型，得到有效的分析結(jié)果[8]。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略云臺(tái)三維模型中對(duì)有限元分析影響很小的螺紋孔、圓角等細(xì)小結(jié)構(gòu)，首先將處理好的云臺(tái)的UG NX裝配體模型轉(zhuǎn)換成高級(jí)仿真模塊的有限元模型，按表1所示的材料設(shè)置云臺(tái)各零件的材料屬性，由于云臺(tái)具有不規(guī)則的外形，因此對(duì)云臺(tái)三維模型進(jìn)行3D四面體網(wǎng)格劃分，單元類型為CTETRA(10)，單元尺寸為 2 mm。云臺(tái)模型劃分后節(jié)點(diǎn)總數(shù)為186785，單元總數(shù)為103642個(gè)。其次將云臺(tái)系統(tǒng)的主要元件如機(jī)械結(jié)構(gòu)件、電機(jī)等的重力轉(zhuǎn)換為載荷。云臺(tái)系統(tǒng)所受載荷及其約束主要是：頂板的四個(gè)減振球孔軸處（圖3（b）的處）設(shè)置為固定約束，模擬云臺(tái)與無人機(jī)機(jī)體的連接；分別在方位軸電機(jī)位置（圖3（b）的處）、橫滾軸電機(jī)位置（圖3（b）的處）、俯仰軸電機(jī)位置（圖3（b）的處）、俯仰軸臂處（圖3（b）的處）施加一個(gè)沿坐標(biāo)軸負(fù)方向2.2 N的力、一個(gè)沿坐標(biāo)軸負(fù)方向1.6 N的力，一個(gè)沿坐標(biāo)軸負(fù)方向1.2 N的力，一個(gè)沿坐標(biāo)軸負(fù)方向0.9 N的力，以上作用力是模擬云臺(tái)系統(tǒng)所產(chǎn)生的重力。

云臺(tái)的有限元模型如圖3所示，云臺(tái)靜力學(xué)分析結(jié)果如圖4所示。

圖3 云臺(tái)的有限元模型

從圖4可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在橫滾軸連接臂的位置，大小為8.63 MPa，主要來源于扭矩的作用，遠(yuǎn)小于鋁合金材料的屈服強(qiáng)度極限255 MPa。云臺(tái)最大形變?yōu)?.22 mm，不影響其正常工作。

3 云臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析

由于本設(shè)計(jì)的云臺(tái)用于多旋翼無人機(jī)，該無人機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)情況較復(fù)雜[9-10]。原因?yàn)椋阂皇嵌嘈頍o人機(jī)采用直流無刷電機(jī)作為動(dòng)力，電機(jī)數(shù)量較多，多個(gè)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生耦合作用；二是各個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速不完全相同，運(yùn)行時(shí)容易發(fā)生受力不平衡的情況；三是各個(gè)旋翼所受的空氣流有差別，造成的振動(dòng)也不同。一般情況下，云臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，其頻率集中于40～110 Hz之間。為達(dá)到實(shí)際振動(dòng)工況的要求，需要對(duì)云臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)四階模態(tài)振型分析。云臺(tái)的四階模態(tài)振型圖如圖5所示。

圖4 云臺(tái)靜力學(xué)分析結(jié)果

圖5 振型云圖

表2 各振型的分析

通過圖5可以看出，第一階和第二階較大的振型變形出現(xiàn)在頂板減振球和俯仰軸臂處，第三階和第四階的振型變形出現(xiàn)在俯仰軸臂處，都是彎曲變形。在云臺(tái)產(chǎn)生共振的頻率范圍內(nèi)，云臺(tái)由于變形產(chǎn)生的位移量較小，第三階、第四階振型的固有頻率避開了共振頻率范圍，不會(huì)發(fā)生共振。因此，云臺(tái)滿足振動(dòng)工況的要求，設(shè)計(jì)合理可行。在以上研究基礎(chǔ)上制作了云臺(tái)樣機(jī)，并進(jìn)行樣機(jī)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求，圖6為無人機(jī)掛載云臺(tái)樣機(jī)測(cè)試。

圖6 無人機(jī)掛載云臺(tái)樣機(jī)測(cè)試

4 總結(jié)

本文為石化管道巡檢的多旋翼無人機(jī)設(shè)計(jì)了配套的三軸云臺(tái)，先利用UG軟件對(duì)該云臺(tái)進(jìn)行了三維建模，再用UG高級(jí)仿真模塊對(duì)云臺(tái)進(jìn)行了靜力學(xué)校核和動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析，仿真結(jié)果表明該云臺(tái)是滿足設(shè)計(jì)要求的。為了使無人機(jī)能在石化行業(yè)得到更廣泛的應(yīng)用，無人機(jī)云臺(tái)的研究將需要融入更多的先進(jìn)技術(shù)，如選用強(qiáng)度更高、防爆性能更好的材料；采用3D打印等先進(jìn)的制造手段進(jìn)行復(fù)雜零件加工等等，從而使云臺(tái)達(dá)到更理想的性能。

[1]蔡衛(wèi)林. 無人機(jī)在石化管道巡檢的應(yīng)用前景分析[J]. 中國(guó)石化，2016（1）：6.

[2]秦國(guó)晉，冼國(guó)棟，楊欽. 油氣管道經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則研究[J]. 機(jī)械，2018，45（9）：41-47.

[3]Kent R，Karl P，Nicholas F G，et al. Autonomous Chemical Vapour Detection by Micro UAV[J]. Remote Sensing，2015，7（12）：16865-16882.

[4]Zeyu Jiao，Guozhu Jia，Yingjie Cai. A new approach to oil spill detection that combines deep learning with unmanned aerial vehicles[J]. Computers & Industrial Engineering，2019（135）：1300-1311.

[5]宋科. 一種多旋翼無人機(jī)三軸穩(wěn)定云臺(tái)的設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電工程，2018，35（2）：153-157.

[6]吳高強(qiáng)，宋軍，姜年朝. 某無人機(jī)用渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)主軸疲勞壽命計(jì)算[J]. 機(jī)械，2014，41（3）：21-23.

[7]純陽. 對(duì)兩軸光電云臺(tái)的有限元分析及優(yōu)化[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化，2015，37（12）：89-91.

[8]劉仲宇，張濤，李嘉全，等. 超小型無人機(jī)光電穩(wěn)定平臺(tái)照準(zhǔn)架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（45）：104-108.

[9]王晶東，于化東，李妍. 小型無人機(jī)載光電穩(wěn)定平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2014，33（10）：1604-1608.

[10]張博豪. 多旋翼無人機(jī)云臺(tái)動(dòng)力學(xué)特性分析及減振控制研究[D]. 石家莊：河北科技大學(xué)，2018.

Design of Multi-Rotor UAV platform for Petrochemical Pipeline Inspection

LU Ye1，DENG Ziguang2，CHEN Jinming1

(1.Department of Mechanical and Electrical Information, Maoming Polytechnic College, Maoming 525000, China; 2.Fuhonyang Precision Industrial (Shenzhen). Co., Ltd.,Shenzhen 518000, China)

Aiming at the high requirements of strength, rigidity and structural stability of platform carried by UAV of petrochemical pipeline inspection, triaxial platform for multi-rotor UAV is designed. The airframe of UAV is designed according to the working condition. The structural composition, structural design, material selection and load of the platform are analyzed. The finite element model of the platform is established by using the advanced simulation module of UG NX software. The model is solved and the static stress-strain analysis and the fourth-order mode vibration mode of the dynamics are analyzed. In order to verify the design, the prototype of the platform is made and mounted on the UAV for testing. The results show that the platform meets the stability requirements of the system in terms of strength, stiffness and vibration damping performance. It’s proved that the design is reasonable and feasible.

petrochemical pipeline inspection；multi-rotor；UAV platform

TP242.6；TP391.9

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.01.013

1006－0316 (2020) 01－0076－05

2019－08－13

廣東省智能化制造裝備工程技術(shù)研究中心（粵科函產(chǎn)學(xué)研字[2017]1649號(hào)）；茂名市科技計(jì)劃項(xiàng)目“用于石化管道等設(shè)備監(jiān)測(cè)、作業(yè)的智能飛行機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究”（茂科字[2017]47號(hào)）；茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院教研項(xiàng)目“構(gòu)建以機(jī)器人為載體的機(jī)電創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)”（茂職院[2016]57號(hào)）。

陸葉（1979－），女，廣東陽江人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)、智能制造等。