深海干式云臺設計與實驗驗證

張樂天，張培培，田曉慶，楊俊毅

（杭州電子科技大學機械工程學院，浙江 杭州 310018）

水下云臺是具有觀測功能水下工程裝備的重要部件[1-2]，其作用是承載水下攝像頭、水下燈和激光測距儀等儀器，在作業過程中對搭載儀器的姿態進行調節，以實現對水下目標的動態觀測或測量[3-4]。國外針對水下云臺裝置的研究較早。20 世紀60年代，MENZIES R 等[5]便開始使用固定式云臺搭載相機來獲取水下圖像。2013年，SAGARA S 等[6]研發了一套應用于水下機器人的立體視覺系統，可搭載相機平移滑動變換視場，但視場范圍相對較小。美國IDUS SOLUTIONS、挪威IMENCO 等公司也相繼推出多款商業化的水下云臺產品，可滿足水下機器人的大視場觀測需求。近年來，國內工程師也開展了水下云臺的研究與設計。2010年，YING F J 等[7]提出采用主從兩個云臺的設計，分別搭載水下攝像機與照明燈，通過建立動力學模型傳遞云臺轉動信號，使云臺轉動穩定，但裝置一體化程度不高。2016年，殷莉甜等[8]研制了雙目系統并搭載在水下二自由度云臺上，提高了云臺的集成度，但未驗證云臺轉速。2019年，盤瀟瀟等[9]設計了一套適用于淺水中輔助攝像頭觀測的小型二自由度云臺，但是云臺的轉速較小，且只能用于20 m 水深。2019年，陳宣成[10]為了實現全海深作業的需求，采用油壓壓力平衡的電機封裝方式設計水下云臺，但充油式電機的密封結構較復雜，云臺偏轉角度控制容易出現偏差。2021年，任福深等[11]開發了一套基于STM-32主控板的二自由度觀測云臺，但雙層O 型圈的動密封結構導致起動摩擦阻力較大，水下長期使用易磨損。

水下的云臺裝置一般為二自由度設計，通常選用兩臺步進電機或伺服電機驅動。步進電機具有體積小、成本低、便于控制的優點[12]，可對其采用壓力平衡的充油密封設計，從而設計成大水深環境的云臺。但步進電機由于開環控制，用于啟動頻率高的云臺上易出現失步或堵轉問題[13]，且在低速運轉的時候容易出現低頻振動，可靠性低。隨著我國水下機器人技術的飛速發展，對深海的視覺系統提出了更高的要求，特別是在水下目標跟蹤、視覺引導對接、目標測量等方面，要求水下云臺具有高精度的角度反饋功能。伺服電機閉環控制的特性使得控制精度更高[14]，且啟動轉矩大，可在很短的時間內達到轉速，更適用于云臺頻繁啟停情況。但伺服電機具有光電編碼器，無法通過充油實現壓力平衡密封，難以實現大深度使用。

采用伺服電機驅動的深水云臺具有更多優點，但需對云臺的電機采用干式封裝，這對云臺設計提出了較高要求。本文研制了一套伺服電機驅動的干式云臺，采用陶瓷角接觸軸承保持高壓下水平旋轉的靈活性，蝸輪蝸桿件實現大負載俯仰旋轉的穩定性，格萊圈進行輸出軸的耐壓旋轉密封，以實現高精度控制反饋的大水深云臺。

1 設計指標與工作原理

1.1 設計指標

本文所設計的深水云臺為搭載水下機器人等平臺觀測海底使用，要求承載深海攝像機、燈等部件，并可在水下跟蹤觀測目標。基于上述基本條件，推導深水云臺的設計參數。深海相機和燈的水下重量一般在5 kg 以內。根據水下機器人的作業環境，觀測區域一般為前下方海底，相機軸心上下60°和左右90°的視場可滿足要求。

以相機視距5 m、視場范圍為1 m、幀率25 FPS為例，設定觀測物體在相機2 幀之間的偏移量不超過視場范圍的0.1，云臺可保持穩定跟蹤，故云臺轉速需滿足式（1）。

式中，L 為相機視距；△s 為觀測物體1 幀偏移量；F 為相機幀率。

計算出云臺的最大轉速指標應不小于26.6（°）/s，但云臺轉速過快會令相機成像模糊，導致所使用目標檢測算法與跟蹤算法失效，故取最大轉速指標定為30（°）/s，以保障水下云臺與探測裝置的正常工作。

因此，本文設計云臺的主要性能指標包含：5 kg負載情況下，俯仰旋轉角度120°，水平旋轉角度180°，最大轉速30（°）/s，最大工作水深2000 m。

1.2 云臺工作原理

本文提出一種集成雙電機驅動的深水二自由度云臺設計方案，設計的云臺工作原理圖如圖1 所示，主要由水平旋轉機構、俯仰旋轉機構兩部分組成。通過水平與俯仰方向兩個自由度的旋轉，可使云臺快速到達限定觀測區域的任意角度。

圖1 深水云臺工作原理圖

其中，直流無刷伺服電機是云臺完成水平與俯仰視角轉換的動力源，水平旋轉電機固接云臺艙體相對底座旋轉，俯仰旋轉電機通過蝸輪蝸桿傳動，帶動俯仰輸出軸旋轉，并通過承力軸承和格萊圈等重要部件助力云臺實現水下2000 m 的運動承力與動密封處理。安裝直齒輪傳遞旋轉角度大小，并通過磁電編碼器檢測。磁電編碼器原理是利用磁阻，對因電機轉動產生磁場變化的角度值進行測量，經編碼器處理后獲得角度值信息，可靠性高，抗干擾能力強[15]，用于電機的旋轉位置反饋，可提高云臺工作穩定性。控制模塊接收外部電路信號并處理傳感器檢測數據，驅動電機令云臺實現二自由度的精準視角偏轉。

2 云臺結構設計

2.1 水平旋轉機構

水平旋轉機構結構示意圖如圖2 所示。云臺采用減速電機直連旋轉設計，驅動電機輸出端與底部固定座固連，艙體與固定座采用銷軸徑向連接，固定座軸與云臺底部端蓋通過螺栓連接。電機工作時，帶動所連接的艙體相對底部端蓋旋轉。考慮到云臺裝置搭載觀測系統進行角度變換，需要較好的承重能力、較廣的速度調節范圍及較準確的控制精度，故選用承重能力強，調速范圍廣、控制策略多的直流無刷電機，搭配減速器使用。電機額定電壓24 V，額定功率11.8 W，額定轉速14905 rpm，最大連續扭矩7.5 mN·m。減速器選用四級減速，2000 ∶1 的減速比，齒輪箱效率70%。求得額定輸出轉速14905 rpm ∶2000 = 7.45 rpm，大于5 rpm，即水平轉速30（°）/s。伺服電機屬于恒扭矩調速，在5 rpm 輸出轉速下，電機輸出扭矩不變，根據減速比及減速箱效率，減速電機的輸出扭矩可達7.5 mN·m×2000×70%=10.5 N·m，水平方向不載重，由下文可知驅動電機只需克服陶瓷角接觸軸承與O 型圈的摩擦阻力，因此設計滿足需求。

圖2 水平旋轉機構結構圖

為了降低電機軸的負荷和水平旋轉時艙體與底部端蓋的摩擦力，滿足高轉速的要求，在底部固定座和底部端蓋之間設計有角接觸軸承，考慮到海水中使用，角接觸軸承選用耐磨陶瓷軸承，受力不易變形，且可以有效防止電化學腐蝕[16]，同時在電機軸上加裝深溝球軸承旋轉時的同軸度，從而保證水平旋轉的平穩性。

水下工作的設備均需要保證良好的密封性才能進行正常工作。云臺艙體與固定座固接無位移，選用O 型圈進行靜密封處理，以確保其耐壓防水。固定座與固定座軸間采用雙層格萊圈進行旋轉動密封設計。格萊圈是一個雙向密封圈，具有低摩擦及高速性的特點[17]。設計過程中，采用非粘接的方法，填充聚四氟乙烯密封件與O 型橡膠密封件進行機械組合，在無壓力環境，利用O 型圈的初始預壓縮變形和填充聚四氟乙烯滑環的過盈量進行密封；在水下環境，由于靜水壓力的作用使O 型圈貼緊滑環內壁和溝槽壁而起壓緊密封作用，符合本文設計需求。

云臺搭載的儀器往往有電纜連接進行供電和傳輸數據，為了避免云臺在水平旋轉時出現連續旋轉導致電纜纏繞的現象，在艙體底部端蓋的內部設置±90°的機械限位，當云臺轉動到極限位置時電機堵轉，電流會突然增大，觸發直流無刷電機的電流保護機制，云臺停止工作以防止損壞。在很多應用場景下，轉動角度實時數據需要反饋給上位機進行控制與計算。本文設計了高精度水平旋轉角度檢測部件，水平旋轉角度的檢測通過同等模數和齒數的直齒輪傳出，其中一個齒輪與電機輸出軸固定連接，在與之嚙合的齒輪上裝有磁電編碼器。

2.2 俯仰旋轉機構

俯仰旋轉機構結構示意圖如圖3 所示。云臺的俯仰旋轉機構不僅考慮驅動較大負載運動，還要考慮靜止狀態的穩定性。俯仰旋轉機構基于蝸輪蝸桿設計。一方面，蝸輪蝸桿機構傳動比大，扭矩大，過載承載能力高，且具有自鎖性[18]；另一方面，可以轉換減速電機輸出軸方向，電機可以垂直安裝，大幅降低了云臺艙體的直徑。蝸輪的兩端選用了相同型號的深溝球軸承，蝸桿通過圓錐滾子軸承和滾針軸承安裝在艙體上端蓋內，艙體上端蓋是集整個垂直旋轉機構為一體的安裝支架，此配合方式可承載輸出軸的徑向和軸向載荷，有效調節蝸輪蝸桿在安裝時的間隙，以提升云臺的轉向精度。為保障蝸輪連接的輸出軸中心在水下云臺的中平面內，端蓋內部蝸輪蝸桿采用偏心放置的方式。為了保障搭載儀器電纜的安全，分別在與蝸輪連接的輸出軸的一個端蓋處設置±60°的機械限位。輸出軸兩端使用雙層格萊圈實現動密封。

圖3 俯仰旋轉機構結構圖

為了保證電機控制的穩定性和可靠性，俯仰旋轉機構的電機選用與水平旋轉相同的型號。減速器選用三級減速，250 ∶1 的減速比，齒輪箱效率為80%，蝸輪蝸桿選用10 ∶1 的減速比，傳動效率90%。輸出轉速14905 rpm ∶2500=5.96 rpm，大于5 rpm。在5 rpm 輸出轉速下，電機的輸出扭矩為7.5 mN·m×2500×80%×90%=13.5 N·m。俯仰旋轉機構的輸出扭矩決定了云臺的搭載能力，本文計劃搭載5 kg 的儀器，最大安裝位力臂長100 mm，因此作用在輸出軸的最大扭矩為5 N·m，考慮高壓動密封和同軸度等水下工況原因，電機安全系數設定在2～3 之間，因此滿足設計指標。

受艙體上端蓋尺寸限制，俯仰旋轉角度的測量通過一對相同模數、齒數不同的直齒輪傳遞，其中大齒輪和蝸輪軸固定，與其配合的小齒輪軸端安裝磁電編碼器作為角度傳感器。

2.3 主要零部件校核

考慮到云臺需在水下2000 m 環境作業，即在耐受水壓20 MPa 下正常工作，因此需對艙體強度進行校核，以避免云臺艙體發生形變損壞。此外，以搭載儀器5 kg 為要求，需要對俯仰旋轉機構輸出軸進行強度校核。

2.3.1 艙體強度校核

艙體采用鈦合金圓筒制成，材料的屈服極限σs=800 MPa，抗拉強度σb= 895 MPa，彈性模量E =124.3 GPa。目標筒長L=140 mm，內徑d=104 mm。

用屈服極限作為計算依據，材料許用應力計算見式（2）。

式中，n 為安全系數，基于水下工作穩定考慮，取n=3。由式（2）計算出許用應力大小為267 MPa。

查閱《壓力容器》（GB150—2011） 手冊可得筒體壁厚計算如式（3）所示。

式中，Ф 為焊接系數，無焊接Ф = 1；P 為計算壓力；δ 為有效壁厚。

由式（3）求得δ=6.6 mm，為了加工方便與穩定性考慮，取壁厚δ=8 mm，外徑D=120 mm。

耐壓艙體在進行穩定性校核時，需分為長圓筒和短圓筒兩種情況討論，臨界筒長計算見式（4）。

由式（4）可以計算出Lcr=544 mm>L，所以當前的外壓筒屬于短圓筒，根據式（5）計算短圓筒臨界外壓Pcr。

計算出此時臨界外壓Pcr=316 MPa，根據式（6）計算許用壓力[P]。

式中，m 為安全系數，取m=3。計算可得[P]=105.3 MPa，大于外界壓力，應力值滿足強度要求。

2.3.2 俯仰旋轉輸出軸強度校核

俯仰旋轉輸出軸采用鈦合金材料，材料特性同2.3.1 節所示。由于云臺搭載相機作俯仰旋轉運動，故輸出軸承受的載荷主要為剪切應力和彎曲應力，所以需要對其危險截面進行剪切強度校核和彎曲強度校核。輸出軸受力簡圖如圖4 所示。

圖4 俯仰旋轉輸出軸受力簡圖

許用應力[σ]=266.7 MPa，許用剪切應力計算見式（7）。

已知輸出軸半徑r = 7 mm；搭載物體的重量F =50 N；力臂長度l=100 mm，進行切應力τ 計算，如式（8）所示。

計算可得τ = 0.325 MPa ＜ [τ]，滿足剪切強度指標。

根據最大彎矩與抗彎模量，可得彎曲應力大小，公式如式（9）至式（11）所示。

式中，Mmax為最大彎矩；W 為抗彎模量；σw為彎曲應力，解得σw= 51 MPa ＜ [σ]，所以該輸出軸強度滿足使用要求。

3 控制系統設計

3.1 硬件電路設計

硬件電路包括主控模塊、驅動模塊、電源模塊、外部存儲模塊、傳感器模塊、通信模塊等，如圖5 所示。

圖5 水下二自由度云臺控制板硬件電路框圖

其中主控模塊采用STM32F303CBT6 作為控制MCU（Microcontroller Unit），連接外圍電路，完成傳感器采集數據，接收上位機指令等工作，并采用比例-積分-微分（Proportion-Integral-Derivative，PID）算法對磁編碼器反饋的角度信息進行閉環控制輸出PWM（Pulse Width Modulation） 波。驅動模塊選用DRV8306 作為驅動芯片，分別組成水平電機與俯仰電機的驅動電路，對ARM（Advanced RISC Machines） 輸入的PWM 信號進行功率轉換，對電機進行直接控制。

考慮到設備為外部供電，采用DC-DC 降壓型穩壓模塊保證云臺控制板與電機正常工作。本設備通訊距離為2～3 m，采用RS485 串口通信接收上位機發送的位置信息指令。并選用M24C02 芯片作為存儲模塊實現外部存儲云臺的極限位置、零點位置，保證掉電以后還具有復位功能。

為了保證云臺的安全性，云臺內部安裝有溫濕度傳感器模塊監測艙內發熱及漏水情況，一旦超過設定值開啟報警與斷電操作。

3.2 軟件控制設計

云臺主控軟件設計流程圖如圖6 所示。首先對系統初始化，功能模塊及相關的變量參數進行設置，讀取外部存儲中的位置信息；其次檢測當前電機轉子的位置并復位；然后通過溫濕度及功率檢測后，云臺電機才可正常啟動，系統進入主循環狀態，等待中斷觸發。根據上位機輸出的期望角度值與編碼器負反饋進行PID 控制，產生PWM 波調節驅動電路[19]。

圖6 云臺主控軟件設計流程圖

4 實驗測試與研究

完成了機械設計與控制設計后，進行加工、裝配、聯調，并搭載了5 kg 相機，實物如圖7 所示。之后對研制的云臺進行轉向測試與壓力測試，以驗證可行性。

圖7 水下云臺搭載相機實物圖

4.1 轉速測試

云臺設計指標中，水平方向轉角范圍為±90°，俯仰方向轉角范圍為±60°，經角度尺測量，均滿足要求。針對云臺轉動，要滿足二個自由度的最大轉速均不小于30（°）/s 的設計指標，且保證轉速偏差較小，以達成精準轉向的設計目的。轉向速度測試是在云臺承擔相機負載的條件下進行，由轉向角度和轉向時間的比值來計算轉速。由于云臺轉速越快，轉速偏差越大，所以通過串口向云臺發送最大速度指令進行測試。云臺由極限位置開始旋轉，水平方向旋轉180°，俯仰方向旋轉120°，到達另一極限位置后觸發直流無刷電機的電流過大保護機制，電源斷電，云臺停止轉動，計時結束。測試結果如表1所示。

表1 云臺轉速測試結果

由測試結果可知，本文所設計的二自由度云臺在水平方向與俯仰方向的平均轉速都約為30（°）/s，誤差值不超過5%，相對較小，滿足設計的要求。但每次實驗結果均存在一定的不同，可能原因在于電機輸出軸與齒輪配合存在間隙所致，且磁電編碼器角度測量具有些許誤差。且由于搭載了儀器，云臺的俯仰運動方向承重，所以實際測試的水平方向的轉速高于俯仰方向轉速。

4.2 壓力測試

裝備在水下工作需要承受靜水壓力，所以利用高壓艙模擬水下環境的壓力變化開展在線測試，實驗裝置如圖8 所示。將云臺和高壓艙的端蓋通過接插件電纜連接，放入高壓艙內，連接外部電源及485 串口，保持24 V 供電。緩慢升壓，速度不大于2 MPa/min，分別于5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa壓力下暫停升壓，壓力保持5 min，至25 MPa 后保壓1 h。在保壓過程中通過RS-485 通信設置，讓云臺在水平與俯仰方向分別運動1 次，再同時運轉1次，利用萬用表記錄各壓力下的工作電流大小。

圖8 云臺壓力實驗裝置

實驗結果表明，云臺水平旋轉電機單獨運轉電流0.14 A、俯仰旋轉電機單獨運轉電流0.17 A，雙電機運轉電流大小0.29 A，在各壓力工況下均保持穩定；由于蝸輪蝸桿件的機械加工與配合上會存在些許誤差與損耗，所以俯仰旋轉電機工作電流值略大于水平旋轉電機。壓力測試后云臺完好，外形無變形，艙內無進水；通電狀態下水平與俯仰運動正常。

通過轉向測試與壓力測試，證明了所設計的非充油式水下云臺，可在水下2000 m 深度實現高負載下的精準轉向，工作狀態穩定，達到設計指標要求。

5 結論

深水云臺是海洋觀測系統的重要組成部件，常用于水下圖像獲取等領域，但現有的云臺裝置多數存在應用場景少或轉向精度低等問題。本文采用干式密封結構設計與軟硬件協同控制的方法，研發了一套直流伺服電機驅動，可靠性高、適用性廣的海洋探測用二自由度云臺，具有以下特性。

（1） 云臺采用格萊圈進行輸出軸的耐壓旋轉密封，采用陶瓷角接觸軸承確保水平旋轉的靈活性，采用蝸輪蝸桿件實現大負載俯仰旋轉的穩定性。

（2） 干式云臺可內置磁電編碼器可達成角度反饋的實時性，并內置主控電路實現水下高精度控制。

（3） 通過校核計算、轉向實驗和壓力實驗，驗證了設計的深水干式云臺可在深海2000 m 實現俯仰±60°和水平±90°的二自由度旋轉，水平旋轉轉速與俯仰旋轉轉速最大可達30（°）/s，轉速誤差不超過±5%。

因此，本文設計的深水干式云臺可滿足深海環境下潛器等作業平臺移動觀測和目標跟蹤所需的精確控制、快速轉向需求，可為海洋調查和海洋科學研究提供有效的作業工具。