石化管道巡檢的多旋翼無人機云臺的設(shè)計

陸葉，鄧梓光，陳錦銘

石化管道巡檢的多旋翼無人機云臺的設(shè)計

陸葉1，鄧梓光2，陳錦銘1

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

針對石化管道巡檢無人機所搭載的云臺在強度剛度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面要求高的問題，設(shè)計了一種以多旋翼無人機為平臺的三軸云臺。根據(jù)工況要求設(shè)計了無人機的機體，同時對云臺的結(jié)構(gòu)組成、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、所受載荷等方面進行分析，運用UG NX軟件的高級仿真模塊建立了云臺的有限元模型，解算該模型，分析靜力學(xué)應(yīng)力應(yīng)變及動力學(xué)四階模態(tài)振型。為驗證設(shè)計，制作了云臺樣機，并掛載在無人機上進行測試。結(jié)果表明：該云臺在強度剛度、減振性能上滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，設(shè)計合理可行。

石化管道巡檢；多旋翼；無人機云臺

目前無人機在航拍、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間長、人力成本高、困難大，而無人機能搭載多種傳感器，進行管道泄漏檢測作業(yè)，不僅具有更高更全的視角，還能進入危險區(qū)域觀察收集信息，大大提高勞動生產(chǎn)率，減少安全事故的發(fā)生，降低經(jīng)濟損失的風(fēng)險[1-2]。發(fā)達國家早已開始利用無人機進行石化設(shè)備巡檢的研究及應(yīng)用[3]，而我國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)，無人機需要云臺來搭載如運動相機等各種傳感器，用于實時傳輸圖像和數(shù)據(jù)。云臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性決定了其工作性能，直接影響了無人機巡檢的效果。因此，本文利用結(jié)構(gòu)化設(shè)計與仿真技術(shù)，對石化管道巡檢無人機的云臺進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計、靜力學(xué)校驗及動力學(xué)分析。

1 無人機云臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 云臺的結(jié)構(gòu)

石化管道巡檢的無人機工作時，搭載高清攝像頭和各種精密的檢測儀器（如氣體報警儀、超聲波檢測儀等），在自動或遙控飛行模式下，在石化管道等設(shè)備上空沿線飛行，且需具備檢測、防爆、耐高溫、抗風(fēng)等功能。比較了目前各種無人機的優(yōu)劣，其中多旋翼無人機能夠垂直起飛和降落，具有很強的機動性和可操作性，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采用六旋翼無人機。利用UG NX軟件設(shè)計的無人機如圖1所示。

圖1 無人機三維模型圖

無人機上面掛載的云臺要能夠接收地面遙控指令并根據(jù)指令進行調(diào)整或保持云臺的特定姿態(tài)；對工作中無人機產(chǎn)生的振動進行相應(yīng)的補償，以保證無人機上的任務(wù)載荷能實現(xiàn)巡檢作業(yè)。無人機云臺一般分為能左右旋轉(zhuǎn)的二軸云臺和能左右、上下旋轉(zhuǎn)的三軸全方位云臺。由于石化管道巡檢需要大范圍、多角度進行掃描監(jiān)視，因此本設(shè)計采用三軸云臺方案，該云臺有三個活動自由度：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，每個軸都由電機控制，電機接收來自控制模塊的信號精確地運行定位，實現(xiàn)云臺的運動姿態(tài)的控制。

設(shè)計的云臺由控制模塊、傳感器模塊、動力模塊、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，通過傳感器將云臺末端姿態(tài)讀出，再與無人機主控傳感器的姿態(tài)角比較，發(fā)出控制信號讓電機及時做出動作修正，從而使裝在云臺上的相機等外部傳感器時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)云臺末端姿態(tài)位置，反饋給主控板。動力模塊包括直流無刷電機、磁環(huán)等，無刷電機裝在云臺機架的各個軸連接處，從主控板接收信號，調(diào)節(jié)云臺的各軸到相應(yīng)的位置，是云臺保持穩(wěn)定的重要零件。磁環(huán)是一塊環(huán)狀的導(dǎo)磁體，對高頻噪聲起到抑制作用，用于配合無刷電機。減振結(jié)構(gòu)主要是減振球，用于緩沖無人機作業(yè)時產(chǎn)生的振動，減振球一般采用橡膠材料，長時間反復(fù)形變?nèi)菀桩a(chǎn)生裂痕，因此需要及時更換，在減振球軸孔插入銷釘防止其振裂脫落。支撐結(jié)構(gòu)與無人機機體相連接，是整個云臺的支撐，主要零件有頂板和懸架，頂板根據(jù)采用多孔樣式設(shè)計，便于不同型號的無人機搭載，增加了云臺的應(yīng)用范圍。支撐結(jié)構(gòu)的主要功能是連接無人機，保護主控板、固定電機和支撐云臺上的其他元件。連接結(jié)構(gòu)可以連接云臺三個方向的軸，保護無刷電機等電子元件。無人機進行石化管道巡檢是需搭載相機等設(shè)備進行航拍，因此云臺需設(shè)計有相機固定板，相機可以通過螺紋孔或者扎帶連接上俯仰軸和相機固定板。云臺三維模型如圖2所示。

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

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

1.2 云臺主體結(jié)構(gòu)的材料

云臺除了無刷電機、傳感器等電子元件外，還有其他機械零件，這些零件材料性能的好壞，對無人機起到至關(guān)重要的作用，必須滿足輕量化、易加工、易裝配、夠強度等要求，才能保證云臺的整體性能，從而實現(xiàn)云臺位置的實時精確調(diào)整。因此選擇鋁合金作為云臺機械結(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。云臺主要零件材料如表1所示。

表1 云臺主要零件材料

2 云臺的靜力學(xué)校核

為驗證無人機云臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，需進行相關(guān)的力學(xué)分析[6-7]。UG NX軟件是一款較全面的機械設(shè)計分析軟件，其中高級仿真模塊具備有對產(chǎn)品進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]。

為了簡化計算，忽略云臺三維模型中對有限元分析影響很小的螺紋孔、圓角等細小結(jié)構(gòu)，首先將處理好的云臺的UG NX裝配體模型轉(zhuǎn)換成高級仿真模塊的有限元模型，按表1所示的材料設(shè)置云臺各零件的材料屬性，由于云臺具有不規(guī)則的外形，因此對云臺三維模型進行3D四面體網(wǎng)格劃分，單元類型為CTETRA(10)，單元尺寸為 2 mm。云臺模型劃分后節(jié)點總數(shù)為186785，單元總數(shù)為103642個。其次將云臺系統(tǒng)的主要元件如機械結(jié)構(gòu)件、電機等的重力轉(zhuǎn)換為載荷。云臺系統(tǒng)所受載荷及其約束主要是：頂板的四個減振球孔軸處（圖3（b）的處）設(shè)置為固定約束，模擬云臺與無人機機體的連接；分別在方位軸電機位置（圖3（b）的處）、橫滾軸電機位置（圖3（b）的處）、俯仰軸電機位置（圖3（b）的處）、俯仰軸臂處（圖3（b）的處）施加一個沿坐標(biāo)軸負方向2.2 N的力、一個沿坐標(biāo)軸負方向1.6 N的力，一個沿坐標(biāo)軸負方向1.2 N的力，一個沿坐標(biāo)軸負方向0.9 N的力，以上作用力是模擬云臺系統(tǒng)所產(chǎn)生的重力。

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

圖3 云臺的有限元模型

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，遠小于鋁合金材料的屈服強度極限255 MPa。云臺最大形變?yōu)?.22 mm，不影響其正常工作。

3 云臺的動力學(xué)模態(tài)分析

由于本設(shè)計的云臺用于多旋翼無人機，該無人機運行時產(chǎn)生的振動情況較復(fù)雜[9-10]。原因為：一是多旋翼無人機采用直流無刷電機作為動力，電機數(shù)量較多，多個電機同時運行會產(chǎn)生耦合作用；二是各個旋翼的轉(zhuǎn)速不完全相同，運行時容易發(fā)生受力不平衡的情況；三是各個旋翼所受的空氣流有差別，造成的振動也不同。一般情況下，云臺系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的振動，其頻率集中于40～110 Hz之間。為達到實際振動工況的要求，需要對云臺進行動力學(xué)四階模態(tài)振型分析。云臺的四階模態(tài)振型圖如圖5所示。

圖4 云臺靜力學(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。在云臺產(chǎn)生共振的頻率范圍內(nèi)，云臺由于變形產(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，不會發(fā)生共振。因此，云臺滿足振動工況的要求，設(shè)計合理可行。在以上研究基礎(chǔ)上制作了云臺樣機，并進行樣機測試，實驗結(jié)果達到設(shè)計要求，圖6為無人機掛載云臺樣機測試。

圖6 無人機掛載云臺樣機測試

4 總結(jié)

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

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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）；茂名市科技計劃項目“用于石化管道等設(shè)備監(jiān)測、作業(yè)的智能飛行機器人關(guān)鍵技術(shù)研究”（茂科字[2017]47號）；茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院教研項目“構(gòu)建以機器人為載體的機電創(chuàng)新實踐平臺”（茂職院[2016]57號）。

陸葉（1979－），女，廣東陽江人，碩士，講師，主要研究方向為機器人技術(shù)、智能制造等。