基于头部姿态控制的农田监测无人机云台设计与实现

来源：中国农机化学报杂志2022年第7期北京时间：

作者：周利杰, 孙迎建, 蔡国庆, 郝瑞林, 刘辉

单位：1. 河北水利电力学院机械工程系，河北沧州，061001；2. 河北省工业机械手控制与可靠性技术创新中心，河北沧州，061001

摘要：针对农田监测无人机对大范围观测视野、便利操控和高质量拍摄图像的需求问题，设计跟随人体头部姿态的监测云台。首先，根据云台对小体积、轻量化和易集成的设计要求，设计云台结构，并利用ANSYS有限元分析软件进行静力学载荷校核和动力学模态分析；其次，采用四元数方法进行头部姿态解算，利用互补滤波算法进行加速度计和陀螺仪的数据融合，利用嵌入式平台设计并制作云台控制系统；最后，对云台系统的姿态解算准确度进行动态测试和静态测试，对云台的减振性能进行对比测试。结果表明：云台在结构强度和减震性能上满足需求；控制算法和系统能够稳定可靠的解算姿态，并控制云台实时跟随，动态姿态角度误差不超过2°，600 s的静态角度漂移不超过5.5°；云台具有较好的减振和抗振性能，平飞测试中振动加速度均方根值比航拍云台的小41.8%，机动测试中振动加速度最大幅值比航拍云台小21%。该装置可以为无人机的农田监测任务提供更好的便利性。

关键词：云台,农田监测,姿态解算,四元数,互补滤波

基金资助：河北省高等学校科学技术研究青年基金项目(QN2021226)；省属高等学校基本科研业务费研究项目(SYKY2009)；河北省大学生创新训练项目(S201910085010)