一种用于农业巡检机器人的云台系统设计与样机实验

李煜东 ，黄泽灏 ，黄增航 ，冯国健 ，梁柏林

（华南农业大学工程学院，广东 广州 510642）

0 引言

随着巡检机器人的不断研究、发展，云台的设计已成为当前研究的热门课题之一，在此发展前景下，云台的设计广泛应用于巡检机器人、航拍无人机、农业、医疗、监测控制等众多领域。

国内云台已有30多年的发展历史，最早的云台主要用于摄像机上。经过不断的研究发展，云台的性能也从最初的单方向控制到现在的全方位360°控制。在农业领域，大疆T50农业无人机内置高精度、高稳定性的机械式云台，大大提高了机器的灵活性，不仅能够进行精确旋转和平移，还能够实现摄像机的稳定运动，进行数据采集和控制[1]。而在国外的云台研究上，从最开始的只能实现单一方向旋转以及转动精度和承载能力都比较低的状态，发展到了如今具有一定高度的云台技术。美国菲力尔公司（Teledyne FLIR）研发的FLIR PTU-E46高精度扫描云台仅仅采用了一对步进电机，由12 V～30 V直流电源驱动，其俯仰角度为111°，方位角范围为-180°～+180°，非常小巧且质量轻盈[2]。目前部分云台系统应用PID算法来对云台进行稳定设计[3-4]，在确定了相关参数的PID控制下，可以保证一定工况下的理想效果，在控制精度以及响应速度上能够满足运行要求[5]。

基于此，本文设计了一种控制精度较高、响应速度快、轻量化、适应复杂农业巡检环境的云台系统，同时设计了农业巡检机器人样机，对云台系统的控制精度和响应速度进行了实验，经过实验，该云台系统实现了基本无超调、无静差的较高控制精度和毫秒级的响应速度，为后续相关农业巡检机器人的云台设计提供了新的思路。

1 云台系统机械设计

本设计的云台系统机械结构采用板材-轴承-金属连接件的设计，在保证了云台强度的同时，能够减少不必要的重量。在主要承力结构上进行了受力分析，使用多种板材、轴承以及金属连接件，在不损失机械强度的条件下尽可能地平衡云台的稳定性和轻量化，使其能够应用于复杂多变的农业巡检场景。相应的云台系统机械设计图如图1所示。

图1 云台系统机械设计图

云台YAW轴方向上，主体采用半包围方型榫卯结构，使用4块碳纤维板材即可达到设计要求并且起到较好的遮蔽效果，不仅具有防尘作用，也更加便于检修。PITCH轴与侧板间采用轴承与CNC加工件进行连接，尽可能减小了电机传动过程的虚位，保证了传动效率。云台的机械结构使用碳纤维板材，不仅保障了足够的承重能力，也在不降低结构强度的前提下实现了显著轻质化。从下至上，分为下层工控设备固定层、中部碳纤维支撑架以及上层巡检结构，采用两轴结构，固定层下方中心位置通过轴承及餐桌转盘与大疆GM6020电机装配构成YAW轴；中间的碳纤维支撑架采用榫卯结构同时搭配有六面螺母进行固定，具有较好的承重及抗振动能力；在碳纤维支撑架上采用双轴承固定电机，构成PITCH轴，转动稳定，进一步增强了系统的缓振性能，为云台在面对恶劣外部环境时的稳定性提供了可靠保障。

2 云台控制系统设计

2.1 云台控制系统硬件设计

该农业巡检机器人样机的主控制器采用意法半导体的32位处理器STM32F407VET6作为主控芯片，并且在40 mm×40 mm的面积上集成了高效率的DC-DC开关电源电路、低纹波的LDO线性稳压电路、两路CAN总线收发电路、外部按键复位电路以及USART信号取反电路等。使用了高达16 MHz的高速外部无源晶振为芯片提供精准的时钟信号，用于整机的控制信号输出以及数据采集。同时，采用板对板连接器与相应底板连接，旨在把核心板与底板分离，减小焊接工作量，便于维修，主控制器核心板3D渲染图如图2所示

图2 主控制器核心板3D渲染图

2.2 云台控制系统软件设计

本研究设计的控制程序使用STM32CubeMX工具进行图形化配置，简化单片机的外设初始化过程。并在Keil编译器上基于生成的工程，使用C语言为机器人的各项功能撰写任务程序。最终使用FreeRTOS（Free Real Time Operating System）操作系统采用任务调度的控制逻辑，分别设置底盘任务和云台任务，控制整台机器人的运行状态[6]。云台系统的控制对象是云台双轴的GM6020电机，通过DT7遥控器的右拨杆进行控制，拨杆的位移量指定了云台目标偏航角和俯仰角的增量，建立起了遥控器拨杆与云台角度控制的联系。

PID控制算法是一种常用的工业控制算法，它可以根据系统反馈和系统设定之间的偏差以及其积分和微分的线性组合构成控制器的输出，通过适当的参数配置，能够满足控制系统对响应速度、控制精度的需求，经离散化后的位置式PID算法原理如下[7]：

式中，k——采样序号，k=0、1、2、3…；u(k)——第k次采样时刻PID控制器的输出值；e(k)——第k次采样时刻PID控制器输入的偏差值；e(k-1)——第k-1次采样时刻PID控制器输入的偏差值；Kp——比例系数；Ki——积分系数；Kd——微分系数。

该双轴云台系统在控制上使用了串级PID闭环控制系统，串级PID闭环控制由两个闭环PID控制器组成，内环使用PI控制器作为角速度环，外环使用PD控制器作为角度环，从而构成PD-PI串级控制器。其中，外环角度控制器的反馈值为IMU传感器的角度反馈。通过将两个PID控制环节串联，能够增强系统的稳定性和响应速度[8]。结合电机编码器位置反馈与搭载在云台上的陀螺仪两轴角速度反馈，搭建起位置-速度串级双闭环PID控制系统。该控制系统能够有效控制云台电机的旋转角度，搭配合适的参数，即可对输入角度信号实现较好的跟随与抗干扰效果，云台串级PID控制流程框图如图3所示。

图3 云台串级PID控制流程框图

FreeRTOS中的云台任务流程为：接收到DT7遥控器右拨杆的坐标信息后，主控制器核心板转换为云台角度的增量，与当前角度相加后作为串级PID控制器的目标角度。经计算后得出电机的目标电流，该信号经CAN总线发送至电机，驱动云台系统运动至目标角度，云台任务程序流程框图如图4所示。

图4 云台任务程序流程框图

3 云台系统样机测试

3.1 样机参数介绍

本设计的农业巡检机器人样机由底盘系统和云台系统构成，其中，该机器人的云台系统设计了一种新的结构和控制系统，四个轮毂电机为底盘提供驱动力。为了实现农业巡检的功能并且提高其运动的自由度，本研究设计了具有两个自由度的云台系统，具有较好的载重性能，便于搭载实现巡检所需的工业摄像头、工控机、传感器等设备，用于实现信息的处理与传输[9-10]。底盘系统和云台系统之间使用了来自欧姆龙公司的24线导电滑环进行连接，在实现模块间解耦的同时保证了云台YAW轴方向的360°自由旋转。样机实机图片如图5所示，该巡检机器人样机的主要外形参数如表1所示，经测试所得的部分性能参数如表2所示。

表1 巡检机器人的外形参数表

表2 巡检机器人部分性能参数表

图5 样机实机图片

3.2 电机部件选型及数量

基于上述分析需求，本研究设计的机器人底盘电机选用大疆创新公司的M3508减速电机搭配定制FOC电调C620，具有速度快、扭矩适中、便于安装、体积较小的优点。

云台电机选用了大疆创新的GM6020电机作为动力来源，具有高扭矩、高控制精度的特点，保证了云台控制的准确性和稳定性，提高了云台系统的载荷能力，能够搭载更多适用于巡检的工业摄像头以及数据处理设备，增加了巡检设备的搭载量，电机具体性能指标如表3所示。

表3 电机性能指标表

3.3 实机测试

基于以上设计的云台系统，加入底盘系统便于进行实机测试，测试环境为实验室模拟环境，云台YAW轴初始角度为0°，对云台系统施加不同目标角度的阶跃信号，通过上位机量化观察云台系统外环角度控制的响应速度、静差、超调量，将数据导入MATLAB中对齐各组数据的时间坐标。5°、10°、15°、20°云台系统阶跃响应实验图像分别如图6至图9所示。

图6 5°云台系统阶跃响应图

图7 10°云台系统阶跃响应图

图9 20°云台系统阶跃响应图

通过采样数据得出性能指标，具体如表4所示。

表4 云台系统阶跃响应指标表

通过实验可得：该云台系统的角度阶跃响应速度能够达到毫秒级，在较大幅度的角度阶跃变化中也能够有较好的响应速度，同时，基本实现了无超调、无静差控制，具有较好的鲁棒性和快速性，能够适应后续农业巡检的复杂工作环境。

4 结论

1）本研究通过综合考虑当前农业巡检领域的发展趋势以及应用需求，提出了一种满足农业巡检环境高精度、快速响应和轻量化要求的云台系统设计方案。2）在系统设计中，运用串级PID控制算法，遵循轻量化设计原则，实现云台系统的性能优化，有助于确保云台系统在复杂农业环境下的稳定性和灵活性。3）通过设计样机进行实验验证，结果表明，本研究设计的云台系统在控制精度和响应速度方面取得了较好的效果。该系统能够以毫秒级的响应速度稳定地跟随角度变化，并同时实现了无超调和无静差的控制效果。4）本研究提供了一种新颖的云台系统设计方案，其在控制精度、响应速度和轻量化方面具有较多优点，将为农业领域的巡检任务带来更高效率和可靠性的技术支持。5）未来的研究方向可以进一步完善云台系统的控制策略，以适应更为复杂多变的农业巡检环境。这将进一步推动农业智能化的发展进程，为实现农业生产的高效、精准和可持续发展作出积极贡献。