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
- 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）
- 重心决定了空载的姿态；
- 重心决定了静态的负载；
- 理想状态下，重心在轴上
- 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）
- 转动惯量决定动态负载大小
- 决定启停的响应
- 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
- 结构刚度与材料刚度
- 制造过程保证刚度
- 装配过程保证刚度
- 快速灵敏的机构必须要保证刚度
- 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
- 选型的标准，是看性能目标
- 根据结构，预算选型 或者设计
- 功率：额定功率（是否能满足工作状态）
- 转矩：最大转矩（能否带动负载）
- 转速：额定转速（能否满足参数要求）（经验的主要决定参数）
- 转动惯量：与负载匹配（决定了电机响应时间）
对于云台来说：
- 转矩与惯量是最关键的
- 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
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
