适用于多旋翼无人机的两轴云台结构设计

喻伯牙，易华辉，侯羽生，李 晓，刘 岩

（西安工业大学机电工程学院，西安710021）

0 引言

近年来，随着无人机技术日益成熟，多旋翼无人机的载重和续航得到快速提升[1]，同时具备操控简单方便、高可靠性、结构模块化、易于维修的优点[2]，被广泛地应用于电力巡检、影视航拍、农药喷洒、航空侦察、目标实时跟踪观测、打击标定、战场毁伤评估、航空测绘等民用和军用领域[3-4]。其中许多任务需要实时视频记录、视频传输，这些任务要求视频稳定。在航空摄影的应用中，由于相机受到外界因素的干扰会发生振动和抖动，导致视频和图像无法清晰地捕捉到，这就需要稳定平台对其进行稳像控制。云台是无人机搭载各类光学载荷的关键设备，作用是在隔离载机振动与姿态机动对成像质量影响的同时实现对特定目标稳定观测[5]，可以使在不稳定环境中的长焦距相机通过云台装置保持在稳定的位置，让获得的数据或信息受外部干扰影响的概率被最小化[6]。

随着科学技术的发展人们运用多旋翼无人机执行的任务复杂多样，这也导致无人机云台需要负载的任务载荷随之增加。当前世界各国对于无人机云台的研究主要是对其控制算法、控制系统、结构优化设计等方面的研究。

控制算法方面，郭炳坤[7]针对传统PID算法结构简单，不能充分满足现在无人机云台系统复杂的控制要求等问题，提出了通过PSO优化的三轴稳定云台模糊PID控制系统，并为了克服三轴稳定云台复杂的干扰因素，提出了基于自适应Kalman滤波的模糊PI控制算法。仿真结果表明，该系统的稳态精度显著提高，而且系统无超调，调节时间短，能够根据实时变化来调整参数，有效抑制了系统的控制噪声和测量噪声，提高了系统性能，减少了系统误差。AytaçAltan等[8]建立了基于非线性Ham⁃merstein块结构的移动平台三轴框架系统的模型预测控制器（MPC）的有效控制，而且提高了外部干扰下目标的实时跟踪性能。针对三轴框架系统的目标跟踪问题，提出了一种基于Hammerstein模型的MPC控制器。仿真和实验结果表明，其提出的基于Hammerstein模型的MPC算法能够保证无人机在不受外界干扰的情况下，准确跟踪目标并保持稳定。

控制系统方面，舒林[9]设计的神经网络云台控制系统是一种新型云台控制系统，硬件方面采用ARM作为数字核心处理器，姿态传感器采用MPU6050获取云台姿态信号，执行云台控制算法，控制直流无刷电机，驱动云台负载。软件算法方面采用双闭环控制，通过人工神经网络控制算法对云台的速度环和位置环进行稳定控制，通过试验表明：在外部存在方向恒定，风速5.95 m/s扰动的情况下，云台的姿态角度误差在±5°，能够实现云台的稳定控制。

结构设计方面，鲁志超[10]针对不同种类的云台与无人机不能相互通用连接，导致各类云台与无人机的连接结构互换性差，以及云台与无人机之间的拆卸和安装不方便等问题。设计了一种弹簧夹持式云台结构，并通过ANSYS Workbench进行了有限元仿真分析，由仿真分析结果得出：云台结构设计合理，满足设计要求。叱干石雷[11]针对无人机高层消防问题进行了总结，提出了一种无人机配备大负载云台带动消防水枪进行灭火的方案，设计出了符合要求的大负载无人机云台的结构，并借助ANSYS Workbench和Adams软件对虚拟三维模型进行了仿真分析。最后给出了一款安装便捷快速、结构简单轻便、负载能力强大的大负载无人机云台。

本文主要内容为设计一款适合旋翼无人机的较大负载两轴云台，并通过ANSYS Workbench对云台进行静力学分析与动力学分析，检验云台结构刚度和强度是否达到要求，验证其是否会发生共振情况。

1 云台整体设计

1.1 机械结构设计目标

根据本文的设计要求：基于多旋翼无人机设计一款较大载重的两轴云台，来实现本课题的实验研究。具体设计指标是云台可以负载5 kg以内的光电设备等其他物体，并且能够控制这些设备能够在一定角度范围内进行旋转。本文设计的云台是要搭载在旋翼无人机上的承载装置，必须要符合在承受最大负载条件下的刚度要求与强度要求，并且云台自身重量要尽可能的轻。关于性能指标，要求云台要具有较高的稳定性和可靠性，在实现产品化等方面上能够达到较高的水平。设计好的云台作为无人机的重要组成部分，还要考虑到云台与无人机连接部分是否能方便连接。

由于所设计的云台至少需要两个自由度。然而考虑到两轴云台也可以满足设计要求，并且可以减去一个无刷直流电机进而减轻云台自身的重量，而且方位轴主要是负责对目标的瞄准。对于多旋翼无人机而言，无人机可以沿任何方向平动，也可以迅速改变其方位角，通过改变无人机的方位角可以免除第三轴方位轴的必要[12]，所以在结构设计上只需要控制横滚轴和和俯仰轴两个自由度。在此基础上，以二轴云台为方案进行设计。两轴云台结构，其两根旋转轴相互垂直，通常将两轴稳定云台的台体划分为3种结构类型，即极轴式、水平式和地平式。而地平式云台又可以分为T型结构与U型结构[13]。由于U型结构的空间利用率较高，综合性能好，所以本文的云台结构选为U型结构，其结构简图如图1所示。

图1 两轴云台结构

1.2 云台平衡原理

根据云台平衡原理，两轴云台时刻处于平衡状态是因为各个关节处的电机接收姿态传感器传递的电信号，通过调整电机的转动惯量改变俯仰及横滚框架的角度大小，对云台各个框架相对位置进行校准，实现两轴云台自稳效果，进而使机载设备能够在复杂环境过程中稳定工作。依据刚体定轴转动的动量距定理得：

式中：α为转动角加速度。

动能定理：

定轴转动动能定理：

式中：Jd为电机转动惯量；JL为负载转动惯量。

由式（1）~（3）得出云台总动能T：

式中：JZ、JY分别为横滚轴、俯仰轴定轴转动惯量；β、γ分别为横滚轴、俯仰轴定轴转动角度。

由拉格朗日方程可得两个转动轴电机转动力矩：

将式（5）~（6）代入式（4）中得出云台稳定方程：

从以上公式可得：当云台运转时通过改变电机的转动惯量来使云台的总能量T保持不变，进而实现云台的稳定。

1.3 云台结构设计

由于上节确定云台结构为两轴，通过SolidWorks对云台进行三维建模，其结构如图2所示。

图2 云台三维结构

云台的主要结构如下。

（1）减震结构，主要通过橡胶阻尼减震。由于无人机在飞行过程中会遇到来自外界以及自身的扰动，进而使无人机产生振动引起阻尼减振器形变。当阻尼减震器变形时无人机需要克服减振器的阻尼做功，其所做的功被转化为内能从而达到了减振的目的，并起到了保护云台其他结构的作用。

（2）旋转轴结构，确保云台2个坐标轴在规定空间轨迹内运动，横滚轴、俯仰轴节点处分别装配无刷电机来调节云台的姿态确保云台处于稳定状态。旋转臂中还装有各类电子传感器，以及配备有控制面板，确保云台工作时线路安全稳定。

（3）摄影机底部固定板，固定摄影机、姿态传感器或其他光电设备。确保搭载的设备在云台运转时不会掉落，保证相机或其他光电设备可以获得稳定画幅。

1.3.1 云台材料的选择

云台材料的选择直接影响到云台的综合性能。由于云台要承载各种光电设备及其他电子元件，并且还需要其他零件对云台进行连接固定。而且本论文目标是设计一款较大载重的无人机云台，如果选择不合适的材料将直接导致云台在运动过程中的强度和刚度无法满足要求。综上所述云台的材料选择应符合以下条件：

（1）云台材料是否符合加工工艺要求、是否经济环保，材料是否易于加工；

（2）云台工作时不仅受到重力作用，而且受到无人机振动的干扰，此外，云台挂载在旋翼无人机上工作时对周围环境以及自身质量与体积都有严格的要求，因此，云台的主体部分要选择强度高的材料去加工，例如：碳纤维材料，工程塑料、铝镁合金等材料。这样不仅使云台的强度和刚度符合设计标准，同时也减轻了云台质量。

综上所述，无人机云台的二维旋转框架选择碳纤维作为承载电机及其他零件的材料，而不直接参与承载的零件选择ABS作为其材料，减振部分的减震球选择橡胶作为其材料、上下减振板则选择碳纤维。传动轴和滚珠轴承都使用专门的2Cr13材料。云台与无人机连接部分为铝合金柱。上述4种材料的参数如表1所示，云台主体的主要材料参数如表2所示。

表1 云台材料的参数

表2 云台主体材料参数

1.3.2 云台减振结构设计

无人机在飞行时会受到外界因素的干扰产生振动，云台减振部分就是用来吸收其产生的振动，使云台能够在较稳定状态下运行。本文所设计的减振结构是由6个铝合金柱、上下减振板以及橡胶阻尼减振球组成。阻尼减震器由橡胶制成，其尺寸、数量的选择由云台大小进行确定，并将其安装在合适的位置。由于在无人机飞行过程中，阻尼减震器会受来自外界的力而反复变形，这就造成阻尼减震器容易发生断裂[14]，因此，为了防止其断裂本文在阻尼减震器中插入了合适的销钉。另外，在减振结构中还有6个铝合金柱通过螺钉将云台与无人机固定连接。

1.3.3 旋转轴结构设计

旋转运动结构由纵轴和俯仰轴悬转臂以及其上面的控制面板、悬臂盖组成，它可以完成横滚、俯仰两个方向上的运动。根据设计目标，本文的云台主体采用U型结构，其不仅稳定性好、适合负载较大质量光电设备、而且还可以减小电机的扭矩，从而提升了云台的综合性能。将控制线路内置避免了外界因素对云台的影响，保证了云台线路安全，也使云台更加美观。

1.3.4 云台光电设备固定结构设计

根据设计目标，为了搭载较大质量与较多种类的光电设备，云台相机固定结构不仅要实用而且要美观。其设计为开放式，保证了相机及其他光电设备的连接线都不会受到局限，并且在相机安装板上还预留了IMU卡槽，方便姿态传感器的安装，为了支撑质量与尺寸较大的相机镜头还预留了镜头支撑杆安装位置，来确保相机平稳工作。由于搭载的光电设备质量不同，所以手动将相机固定板移动到合适位置后，通过两个螺钉将其固定住从而使云台调平。

1.4 云台结构的装配

在SolidWorks中将各个零件装配完成，并且在保证装配体各个零件之间没有干涉后，分别对其进行质量与运动仿真分析。云台整体质量为4 kg；俯仰轴最大转动角度为±30°；横轴最大转动角度为±45°。

2 云台结构分析

2.1 静力学分析

本节对云台进行有限元静力学分析，检验云台整体结构的刚度和强度是否满足要求。首先将SolidWorks装配模型导出为IGS格式，在导入到ANSYS Workbench中。按照表2对云台各个零件赋予材料属性。在云台模型接触设置中，减震球和碳纤维板设置为非对称接触，铝合金柱与碳纤维板设置为对称接触。从理论上讲，只有网格划分的越精细，分析的结果才能更加准确。所以本文根据实际情况，对云台模型进行自动划分，网格大小设置为4 mm、relevace center设置为fine、smoothing设置为high、translation设置为slow。在该模型中，网格划分单元总共为583 378个，节点总共为221 397个。在云台模型载荷设置中，添加重力加速度9.806 55 m/s2，云台最大承载的相机质量为5 kg，在6个铝合金柱处添加固定约束，模拟云台固定在无人机上。简化后的云台模型网格划分和施加载荷后的结果如图3所示。云台模型静力学分析后的结构形变和等效应力如图4所示。由图可知，云台的最大变形发上在横滚轴旋转臂处，对于整个云台系统而言0.497 63 mm的最大变形可以忽略不计。云台的最大应力发生在横滚轴旋转连接处，最大等效应力为14.368 MPa，而该处的材料为铝合金。它的最大屈服强度为255 MPa，远大于云台的等效应力值。所以该云台结构的刚度和强度符合要求，云台结构可靠、稳定。

图3 云台网格划分和施加载荷

2.2 模态分析

对于多旋翼无人机，因为其质量较轻、体积小并在低空飞行的特点，所以它搭载的云台系统非常容易受到外界气流扰动和电机运行时产生的振动等其他的外界因素的干扰，造成视轴不稳定，导致视频图像模糊，所获得的实验数据精度不准确，特别对于搭载长焦距相机的云台其更容易受到影响[15]。所以为了使云台结构合理，本节对云台模型进行动力学模态分析，确定云台结构的固有频率和振型等模态参数。图5所示为云台的10阶模态云图，其所对应的振动频率值如表3所示。

表3 10阶振动频率表

图5 具有减振结构的云台10阶模态云图

根据以往的实验数据得出，外界传递给云台的振动频率一般集中在50～70 Hz之间[16-17]。由图5和表3可得：1阶振动频率到6阶振动频率集中在6.714 9～41.3 Hz之间，7阶振动频率到10阶振动频率集中在111.64～190.34之间，这些都不在50～70 Hz之间。所以本文设计的两轴云台在运转时不会发生共振情况，云台结构符合要求，可靠稳定。

为了验证云台的减振性能，本文对没有减振结构的云台也进行了模态分析，其10阶模态云图如图6所示，所对应的振动频率值如表4所示。

图6 没有减振结构的云台10阶模态云图

表4 10阶振动频率表

分析图6和表4可知，当云台没有减震结构时，其振动频率都增加了，且从第3阶开始就有了较高的振动频率，俯仰框架从第5阶开始就有较大的变形。相比之下有减振结构的云台，其俯仰框架的较大变形是从第9阶开始。根据以上分析结果得出：拥有减振结构的云台减振性能更加显著，云台结构更加稳定。

3 结束语

本文通过Slidworks设计了一种两轴云台，对云台结构设计和各个结构的材料选择进行了说明，使用ANSYS⁃Workbench对两轴云台模型进行了有限元静力学和动力学仿真分析。根据分析结果得出：云台结构稳定，在工作时不会发生共振现象，云台的整体结构满足设计要求，从理论上得出该云台可以搭载最大5 kg的光电设备，为以后旋翼无人机可搭载较重的光电设备提供了参考依据，为以后较大负载的云台结构设计研究提供了参考。