两轴云台设计笔记

简介

两轴云台是一种用于相机或其他设备的稳定平台，可以使设备在运动或震动的情况下保持稳定，从而获得更加清晰、平稳的拍摄效果。本篇文章将重点介绍设计两轴云台的机械结构。

设计要点

1. 机械结构

两轴云台主要由底座、旋转轴、云台支架、电机等部件组成。底座应该足够稳定，以确保云台能够在不失稳的情况下旋转。旋转轴应该设计得足够牢固，并能够承受相机或其他设备的重量。云台支架应该能够旋转并固定在旋转轴上。电机应该能够提供足够的扭矩和控制能力。

2. 控制系统

控制系统是两轴云台的核心部分，其负责控制云台的旋转和稳定性。控制系统应该包括足够的传感器，如陀螺仪、加速度计等，以便实时监测云台的姿态和运动状态。此外，控制系统应该包括一些算法，如PID控制算法，以控制电机的旋转速度和方向。

3. 电源系统

电源系统负责为云台提供足够的电能。由于两轴云台的电机需要较大的电流才能运转，因此电源系统需要足够的容量和功率。此外，电源系统应该设计得足够稳定，以避免电压波动对云台的影响。

设计流程

1. 确定需求

在设计两轴云台之前，我们需要明确其使用场景和目的。我们需要考虑以下问题：

  • 云台需要支持的设备重量是多少？
  • 云台需要支持的运动范围是多少？
  • 云台需要的稳定性和精度是多少？
  • 云台需要的电源和控制系统是什么？

2. 选择零部件

根据需求，我们可以选择适合的机械、电子和电源部件。例如，我们可以选择适合的电机、轴承、传感器和电池。

3. 设计机械结构

我们需要设计云台的机械结构。这包括设计底座、旋转轴、云台支架等部件，并确定它们之间的连接方式和尺寸。在设计机械结构时，需要考虑到以下因素：

  • 设备的重量和尺寸。
  • 云台的稳定性和承重能力。
  • 云台的运动范围和限制。

4. 设计控制系统

我们需要设计云台的控制系统。这包括选择合适的传感器和控制器，编写控制算法，以及设计控制电路。在设计控制系统时，需要考虑到以下因素：

  • 传感器的精度和灵敏度。
  • 控制算法的稳定性和精度。
  • 控制器的功率和控制能力。
  • 控制电路的稳定性和安全性。

5. 安装和调试

在完成设计后，我们需要将零部件组装起来，并进行调试和测试。这包括安装电机、传感器和控制器，连接电源和控制电路，调试控制算法，以及测试云台的稳定性和精度。

结论

两轴云台是一种非常有用的设备，可以提高相机或其他设备的拍摄质量和稳定性。在设计两轴云台时，我们需要考虑到机械结构、控制系统和电源系统等方面，以确保云台能够满足使用需求。同时，我们需要选择适合的零部件，并进行安装和调试，以确保云台的稳定性和精度。

云台设计

功能性

在空间坐标系中，对于云台来说有三个旋转的自由度，分别绕三个轴旋转

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  • YAW偏航
  • PITCH俯仰
  • ROLL横滚

将之类比为人的脑袋之后，即偏航为左右摇头，俯仰为上下点头，横滚为左右偏头

使用YAW偏航轴和PITCH俯仰轴可覆盖一个球面视角，因此二轴云台使用俯仰轴和航向轴即可。但不能保证视角都是水平的，因此三轴云台才需要横滚轴来保证视角为水平

合理性

重心（静态）

  1. 重心决定了空载的姿态；
  2. 重心决定了静态的负载；
  3. 理想状态下，重心在轴上
    1. 当重心不在yaw轴上时，力臂会受到一个弯矩，影响寿命等

转动惯量（动态）

  1. 转动惯量决定动态负载大小
  2. 决定启停的响应
  3. 控制收敛的速度

对于旋转负载：

功率=转矩x角速度
转矩=转动惯量x角加速度

刚度

云台是一个需要刚度很大的系统。是需要快启快停，因此刚度要求高

  1. 结构刚度与材料刚度
  2. 制造过程保证刚度
  3. 装配过程保证刚度
  4. 快速灵敏的机构必须要保证刚度
  5. 尽量选择电机直驱的传动方式

刚度强度的区别：

刚度：不变形

强度：不断裂

比如撑杆跳运动的杆，则需要强度高，刚度低，才能保证在弯曲的时候不会断裂且能足够弯曲

电机选型

  1. 选型的标准，是看性能目标
  2. 根据结构，预算选型 或者设计
  3. 功率：额定功率（是否能满足工作状态）
  4. 转矩：最大转矩（能否带动负载）
  5. 转速：额定转速（能否满足参数要求）（经验的主要决定参数）
  6. 转动惯量：与负载匹配（决定了电机响应时间）

对于云台来说：

  1. 转矩与惯量是最关键的
  2. 功率和转速后考虑

计算案例

计算方法基于以下公式：

功率 = 转矩 x 角速度
转矩 = 转动惯量 x 角加速度
  • 转动惯量是由结构决定的，角加速度是设定的

转动惯量可在测量/评估中得到，需制定材料密度，获取重量信息等。我的方法是通过UG指定材料密度后可以直接通过测量体命令得到

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计算Z轴：

  • 单位换算

3619.031871071 kg⋅mm² = 0.0036190318710700 KG⋅m²

  • 设定 角加速度

​ 设加速时间为0.5s转动180°，则1s转动360°，设加速运动为均速加速，则角速度为2π/（rad/s）,角加速度为2π/0.5 （rad/s²）

角度（°）= 弧度（rad）× 180°/π


转矩 = 转动惯量 x 角加速度
功率 = 转矩 x 角速度


转矩 =  0.00361903 （KG⋅m²） x  2π/0.5 （rad/s²） =  0.45 N⋅m
功率=转矩 x 2π（rad/s） = 2.826 W

因此需要选一个功率在3W左右，且扭矩大于0.45N⋅m的云台电机

结构构成

执行器

  • 摄像头
  • 激光测距模块

结构构件

  • 相机支架
  • Y型支架
  • 云台支架
  • PITCH轴限位
  • YAW轴限位

驱动部件

  • PITCH轴电机
  • YAW轴电机
posted @ 2023-03-15 15:39  Dapenson  阅读(5466)  评论(1)    收藏  举报