摘要
近年来，无人机低空遥感技术融合传统监测方式推动我国农业生产向航空化、信息化和精准化快速进化，无人机相关应用与研究蓬勃发展，逐渐成为了农业高质量发展的新引擎，加速了我国传统农业向现代化农业的转变进程。在无人机低空遥感装备中，云台是用于安装传感器的平台，其稳定性直接影响机载传感器的测量精度，但目前市场上的云台适用性较差，无法满足农业遥感作业中同时搭载多种传感器设备的需求。本文针对RGB相机和多光谱相机开发了一套无人机云台系统，可以保证无人机遥感作业中相机的稳定性，提高成像质量。本文主要研究内容包括以下几个方面： （1）完成了农用无人机云台系统参数及机械结构设计。根据无人机云台的工作模式和所搭载设备特性，确定了云台的主要性能参数以及主要元器件选型，并进行了云台框架结构、减震系统方案、控制系统总体方案设计。根据云台结构特点及性能要求，对云台主要部件进行了加工材料的选择，完成对俯仰轴、横滚轴、云台连接板等关键零部件的设计。运用SolidWorks软件对所有零部件进行三维建模，经装配后进行了干涉检查，确保了云台在正常作业中不存在实体干涉的现象。 （2）基于有限元方法对云台进行了静力学分析、拓扑优化以及模态分析。运用ANSYSWorkbench有限元分析软件对无人机云台关键零部件俯仰轴、横滚轴、云台连接板进行了静力学分析，结果表明各零部件最大等效应力均小于材料的许用应力，最大形变量很小，满足云台设计的强度和刚度要求。完成对云台连接板的拓扑优化分析，并给出优化的云台连接板结构设计方案，结果显示优化后的云台连接板在保证强度和刚度要求的情况下，其重量减少了51.8%，实现了云台轻量化。此外，还对云台系统进行了模态分析，结果表明其前六阶固有频率均大于60Hz，高于无人机振动频率，故云台不会与无人机发生共振，验证了云台结构设计的合理性与可靠性。最后完成云台样机的机械加工及组装。 （3）完成了无人机云台的控制算法的设计。基于两轴云台的结构，建立了云台控制系统的数学模型，分别得出俯仰通道和横滚通道的传递函数模型。针对云台的各种干扰，在经典PID控制算法的基础上，引入变结构PID控制算法，可根据误差的变化实时改变PID控制器的结构和参数。通过Simulink对算法进行仿真，结果表明，相较于经典PID控制，引入变结构PID控制的系统响应速度快，速度超调小，运行时稳态误差小于0.2%，可满足云台的控制要求。 （4）完成云台控制系统的设计，进行云台性能验证试验。硬件部分采用了STM32微控制器作为云台控制器，MPU6050为姿态采集模块，舵机为驱动电机。软件部分设计了基于FreeRTOS实时操作系统的云台系统软件，并设计了系统主程序以及串口发送、姿态读取、变结构PID算法等子程序流程。完成实验样机的搭建后，通过地面模拟试验，测试了云台的静态以及动态控制精度，结果表明俯仰角和横滚角的最大静态不超过0.05°，最大动态误差不超过1.5°，说明云台系统具有良好的增稳性能。
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