基于ADAMS的舵机云台运动学与动力学仿真分析

王洪帅 樊春洋 陈清泉 何流洪

摘 要：针对自主设计的一种舵机云台的运动学和动力学问题，采用ADAMS软件仿真分析了其运动学和动力学特性，得到了该舵机云台正常工作时的性能和装配特性，为实物设计提供了有力参考。

关键词：舵机云台;ADAMS;柔性体;仿真分析

Kinematics and dynamics simulation analysis

of steering gear pan tilt based on ADAMS

Wang Hongshuai Fan Chunyang Chen Qingquan He Liuhong*

College of Mechanical EngineeringGuizhou University GuizhouGuiyang 550025

Abstract：Aiming at the kinematics and dynamics problems of a selfdesigned steering gear pan tilt，the kinematics and dynamics characteristics are simulated and analyzed by using ADAMS software.The normal working and assembly characteristics of the steering gear pan tilt are obtained，which provides a strong reference for the physical design.

Key words：Steering gear pan tilt;ADAMS;flexible body;simulation analysis

云台是无人机各大组成中的重要部件，云台的功能、结构等对飞行器的影响是巨大的[1]。云台是安装在无人机上用来挂载相机等拍摄设备的机械构件，一般云台都能满足相机的三个自由度的旋转，每个轴心内都安装有电机，当无人机倾斜时，同样会配合陀螺仪给相应的云台电机加强反方向的动力，防止相机跟着无人机“倾斜”，从而避免相机抖动，大部分云台需要三个无刷电机来控制三个关节，调整摄影云台的方向，从而实现其功能。

现有云台大都是使用无刷电机来控制的，具有反应灵敏、精度高等优点，本文研究的是自我设计的舵机云台，舵机云台虽然没有高精度、高灵敏性，但成本低，结构也相对简单，我们使用ADAMAS仿真软件对该舵机云台进行了运动学和动力学仿真[2]，并得出了简单的一些性能和装配要求结论。

1 舵机云台三维模型的创建

Solidworks是专业的三维模型设计软件，可以轻松方便的建立零件以及装配体三维模型，自1995年问世以来，因其优越可靠的性能受到了机械工程师以及同学们的广泛欢迎。建立舵机云台模型的过程如下所示：

（1）首先在软件创建零件命令内创建草图，并通过拉伸、旋转、切除等命令完成零件模型的设计，创建完成的零件三维模型如图1所示，分别是上板、下板、减震球、舵机、舵盘、支架、相机架。

（2）将建立的零件导入装配体，设置各零件之间的配合关系，创建舵机云台的装配体模型，装配完成的模型如图2所示。

2 舵机云台仿真模型的创建

2.1 舵机云台仿真模型

ADAMS软件是美国机械动力公司（Mechanical Dynamics Inc.）（现已并入美国MSC公司）开发的虚拟样机分析软件。该软件可以对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线等[3]。舵机云台仿真模型创建过程如下：

（1）利用Solidworks的Parasolid格式数据接口，将创建的三维模型导入ADAMS软件中;

（2）对模型中的零件实行布尔操作，简化模型;

（3）对简化模型中的零件添加运动副;

（4）添加模型添加旋转驱动，并对驱动添加STEP函数运动[4];

（5）设置材料密度、重力等参数。ADAMS创建完成的仿真模型如图3所示。

2.2 ADAMS柔性体

ADAMS可以对关键部件创建柔性体实现刚体和柔体相结合的方式实现对模型的更精确分析[5]，利用ADAMS/ViewFlex模块生成mnf文件创建柔性体的过程如下[6]：

（1）选择Buid→Flexible Bodies→ViewFlex，在Part to meshed一栏中选取创建柔性体的零件，并勾选Manual Replace和Stress Analysis，点击OK，创建mnf文件;

（2）选择Build→Flexible Bodies→Rigid To Flex，导入mnf文件。创建完成的柔性体如图4所示。

3 舵机云台运动学和动力学仿真

3.1 运动学仿真

对舵机云台的上板施加外加驱动，其速度函数为STEP（time，0，0d，5，40d）+STEP（time，7，40d，12，40d）+STEP（time，14，40d，19，0），得到的运动学仿真结果如图5、图6所示，图5为x轴方向质心位移曲线，图6为x轴方向质心速度曲线，其中实线为云台上板的运动，虚线为相机架的运动，从图中可看出，相机架为保持原状态，当上板以一定速度向某方向運动时，相机架总是向相反方向运动更大位移，且速度相对更快，与理论分析结果一致。

3.2 动力学仿真

影响舵机云台工作的主要因素是自身重力以及安装在相机架上的相机的重力影响，现假设相机重量集中在相机架中心位置，施加一集中力在相机架中心位置，仿真运行得x，y，z轴节点各方向的受力曲线，y方向的受力如图6所示，从中可知，各节点出受到的力很小，以普通螺栓连接完全符合要求，取x和z轴的控制支架作应力应变结果后处理，其应力云图如7、图8所示，从中可知支架应力集中在各连接处，在设计时只需考虑这几处满足应力要求即可。

相机的质心位置对舵机控制和支架受力有一定影响，所以在安装相机时需要考虑相机的具体位置，进而进行调平工作，下面通过调整力施加在相机架不同位置时的支架受力情况来模拟相机安装不同位置时对支架受力的影响，为使效果更明显，加大了具体施加的力的大小。结果如图9、图10所示，图9为力施加在相机架上远离x轴舵机位置时z轴控制支架的结果，图10为力施加在相机架上靠近x轴舵机位置时z轴控制支架的结果，从支架1各对应关键点的受力状态的比较可知，相机安装在靠近x軸舵机的位置时为最优状态。

4 结语

通过使用Solidworks建立舵机云台三维模型，然后导入动力学仿真软件ADAMS，进而分析舵机云台工作时的特性和状态，为实物的搭建提供了理论支持，减少了问题的发生，极大地提高了效率，从仿真分析中发现舵机云台工作时，相机架位移以及速度大于对上板施加的驱动位移和速度，支架上的应力主要集中在连接处，相机安装时，靠近x轴舵机时，支架受力更小，对云台工作更有利。

参考文献：

[1]宋科.一种多旋翼无人机三轴稳定云台的设计[J].机电工程，2018，35（02）：153157.

[2]曹默，景作军，孙德辉.基于ADAMS的隔爆云台运动学与动力学仿真[J].北方工业大学学报，2010，22（01）：3237.

[3]高赛.基于UG和ADAMS气动抓手的运动学仿真及有限元分析[J].农业装备与车辆工程，2020，58（06）：134136.

[4]钟小勇，李凤英.ADAMS函数的使用技巧[J].装备制造技术，2008（11）：100102.

[5]杨传宁，董明晓，梁立为，冯润辉，和大龙.基于ADAMS的塔式起重机刚柔耦合虚拟样机[J].起重运输机械，2020（16）：6264+70.

[6]刘静，林冲，郭世财.基于ADAMS和ANSYS的机械臂刚柔耦合运动学分析[J].机床与液压，2020，48（17）：2528+107.

基金项目：2019年教育部产学合作协同育人项目（AHZXY20200506003）

作者简介：王洪帅（1999— ），男，本科，贵州大学机械工程学院学生。

*通讯作者：何流洪（1986— ），男，硕士研究生，高级实验师，贵州大学工程训练中心基础制造实验室、3D打印工作室、竞创空间负责人，长期从事无人机及机器人的教学及研究工作。