小型多光谱相机无人机云台系统研究

摘要

近年来由于小型无人机技术的快速发展，越来越多的无人机遥感技术被应用在农情信息的监测与获取。通过将相机传感器（如可见光、多光谱、高光谱、热红外成像仪等）搭载在小型无人机上来获取农田的图像数据的方法因其效率高、时效性强、成本低等优势被广泛地应用。但由于现有云台通用性差和相机工作环境要求等原因，严重限制了相机传感器在农业应用的推广。本文将针对小型多光谱相机开发一套无人机云台系统，该云台系统能够实现在云台正常工作时稳定多光谱相机视轴的作用，保证相机的成像质量，还能够接受地面的遥控指令进行云台姿态的变化。本文主要的研究内容包括以下几个方面:
　　(1)小型多光谱无人机云台系统总体方案的确定。根据云台系统研究的多光谱相机的尺寸，工作环境确定云台系统所要实现的功能和主要性能指标;基于以上性能要求首先分析无人机云台的框架结构，并确定本文研究的云台系统采用三轴三框架的结构形式;接着对无人机云台减震系统进行分析，确定了采用橡胶减震球的方案;最后论述了无人机云台系统控制部分的主要实现方案。
　　(2)无人机三轴云台结构设计。根据小型多光谱相机参数和云台所要实现的功能，对所设计云台所使用的材料进行选型;利用Solidworks软件对无人机三轴云台进行三维结构设计，主要包括三轴云台俯仰轴、横滚轴、航向轴、相机框、减震系统的设计;另外为了校验云台结构的强度，利用有限元分析软件ANSYS Workbench根据设计流程从底部到顶部的方向对三轴云台的关键零部件进行静力学分析;最后对整体三轴云台结构进行动力学分析，确定传递到云台的无人机振动对三轴云台的影响。
　　(3)无人机三轴云台的控制系统设计。采用Storm32云台控制器作为主控板，MPU6050传感器作为云台姿态采集模块，采用直流无刷电机和电机驱动器作为动力输出，接收机和遥控器作为无线传输模块，对云台的控制系统的各个部分进行设计;然后进行云台设置、云台电机PID调参，最终实现了无人机云台的自稳功能和遥控控制;最后完成对多光谱相机进行光电隔离的相机触发控制设计。
　　(4)无人机云台测试与装机试验。通过对自稳状态下的无人机云台不同的干扰进行云台自稳功能的测试;为了结合实际应用将开发完成的云台搭载到无人机上进行实地测试，进行农田多光谱图像的采集和拼接，并进行对比试验以验证无人机云台的重要性。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究概况

1．2．1 云台控制系统概况

1．2．2 云台结构设计研究

1．2．3 云台任务载荷概况

1．2．4 云台控制算法概况

1．2．5 存在问题

1．3 主要研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 无人机云台系统总体方案设计

2．1．1 云台应用对象介绍

2．1．2 云台搭载对象介绍

2．1．4 性能指标

2．2 无人机云台系统总体方案设计

2．2．1 云台框架结构

2．2．2 云台减震系统方案

2．2．3 云台控制方案

2．2．4 云台系统总体方案

2．3 本章小结

第三章 云台的结构设计

3．1 三轴云台的结构分析

3．2 云台的机械结构设计与三维建模

3．2．1 Solidworks三维建模方法

3．2．2 三轴云台结构材料的选取

3．2．3 云台俯仰轴设计

3．2．4 云台横滚轴设计

3．2．5 云台航向轴设计

3．2．6 云台减震系统设计

3．2．7 三轴云台的样机装配

3．3 三轴云台的有限元分析

3．3．1 有限元分析方法简介

3．3．2 三轴云台关键部件的静力学分析

3．3．3 三轴云台的动力学分析

3．4 本章小结

第四章 云台控制系统设计

4．1 云台控制系统总体方案设计

4．2 姿态采集模块

4．2．1 姿态传感器选型

4．2．2 云台姿态解算

4．3 主控板的设计

4．3．1 云台控制器选型

4．3．2 云台控制器PID算法

4．3．3 云台控制器PID参数整定

4．4 电机驱动模块

4．4．1 电机的选型

4．4．2 电机驱动电路分析

4．5 无线传输模块设计

4．6 直流电压模块设计

4．7 云台控制系统的装机与云台调试

4．7．1 云台控制系统的装机

4．7．2 云台调试

4．8 多光谱相机的控制电路设计

4．9 本章小结

第五章 云台性能测试与搭载无人机试验

5．1 无人机云台姿态自稳性能测试

5．2 无人机云台遥控功能测试

5．3 搭载无人机试验

5．3．1 实验方案的设计

5．3．2 实验结果

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

附录

致谢

作者简介