無人機機載振動測量系統(tǒng)與數(shù)據(jù)歸納方法研究★

王妙，紀(jì)春陽，楊劍鋒，3，吳其琦，蔡茗茜，3，吳和龍，3

（1.廣州賽寶騰睿信息科技有限公司，廣東 廣州 511370；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370；3.廣東省無人機可靠性與安全性工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 511370；4.廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545006）

0 引言

無人機在飛行過程中由發(fā)動機產(chǎn)生的振動會極大地影響飛控系統(tǒng)上搭載的傳感器測量精度及吊艙上光學(xué)載荷的成像質(zhì)量，同時機上振動也會造成無人機結(jié)構(gòu)疲勞損傷，因此，在無人機的研發(fā)及交付過程中需要開展振動環(huán)境試驗，以此驗證無人機的振動環(huán)境適應(yīng)能力和耐久性水平?，F(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)沒有針對無人機飛行工況的振動載荷譜，而有人機與無人機無論在技術(shù)上，還是在結(jié)構(gòu)、強度、任務(wù)剖面和環(huán)境剖面等方面都存在較大的差異，因此也無法參考有人機的振動載荷譜。為了提高無人機振動環(huán)境試驗與實際使用剖面的相似性，需要設(shè)計出機載輕量化振動測量系統(tǒng)和振動數(shù)據(jù)歸納方法。

國內(nèi)無論軍用標(biāo)準(zhǔn)還是民用標(biāo)準(zhǔn)都有介紹振動載荷譜編制的方法，其中，GJB/Z 126—99[1]規(guī)定了振動與沖擊環(huán)境測量數(shù)據(jù)的歸納方法；GB/T 4797.9—2021[2]提出一種在貯存、運輸和使用過程中測得的振動與沖擊數(shù)據(jù)的歸納方法。田永衛(wèi)等人[3]根據(jù)某型飛機測得的振動數(shù)據(jù)，基于現(xiàn)有的國軍標(biāo)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提出以分測試區(qū)域不同狀態(tài)下的振動規(guī)范譜編制歸納方法。高文濤等人[4]介紹了一種空勤人員位置處的1/3倍頻程振動譜的歸納方法，并將這種方法得到的結(jié)果與常規(guī)方法進(jìn)行了對比。楊梅等人[5]將時域分析的思想引入到機載設(shè)備可靠性振動試驗的歸納方法中，提出可靠性振動試驗譜型和試驗時間的編制方法。雷曉波等人[6]基于現(xiàn)有的國軍標(biāo)和數(shù)理統(tǒng)計原理，給出了振動數(shù)據(jù)歸納流程中若干環(huán)節(jié)的具體實現(xiàn)方法，建立了周期振動和隨機振動試飛數(shù)據(jù)的歸納方法。以上文獻(xiàn)涉及的振動測試數(shù)據(jù)歸納方法皆以有人機為對象，針對具體的應(yīng)用場景和任務(wù)需求而提出，不一定適用于無人機。本文研究對象為無人機，關(guān)注重點為機載振動對飛控系統(tǒng)性能的影響，基于以上研究方法提出一種無人機機載振動測量系統(tǒng)及振動載荷譜編制歸納的方法，為無人機振動試驗剖面的制定提供工程化解決方案。

1 無人機機載振動測試系統(tǒng)

由于民用輕小型無人機載重小，且存放負(fù)載空間有限，因此市場上常見的商用振動測試系統(tǒng)難以滿足無人機振動的測試需求，基于此，本研究開發(fā)出圖1所示的無人機機載振動測試系統(tǒng)。該振動測試系統(tǒng)由供電鋰電池、振動數(shù)據(jù)采集模塊、溫度傳感器、溫度傳感器線盒、振動傳感器接線和加速度傳感器等組成。振動數(shù)據(jù)采集模塊的基本參數(shù)如表1所示，包含12個振動數(shù)據(jù)測試通道和1個溫度測試通道。如果只需要測試振動數(shù)據(jù)，則不需要接入溫度傳感器接線盒和溫度傳感器等，從而減輕飛行重量。

圖1 無人機機載振動測試系統(tǒng)

表1 機載振動測試系統(tǒng)的主要功能性能參數(shù)

機載振動測試系統(tǒng)采用“上位機-采集模塊-傳感器”的3層式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集模塊是測量系統(tǒng)的中心，向下接入4個3軸加速度傳感器與1個溫度傳感器，實現(xiàn)振動信號的采集與存儲；向上通過無線串口與上位機通信。傳感器采用2線接口方式的加速度傳感器，內(nèi)含X、Y、Z 3個測量軸。上位機運行采集軟件，實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、波形顯示和控制主機等功能。

圖2 機載振動測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 無人機發(fā)動機振動數(shù)據(jù)采集

用于振動測試的被試無人機為TX25A型垂直起降無人機，具體的參數(shù)如表2所示。機載振動測試系統(tǒng)固定在機內(nèi)中艙，三向加速度傳感器安裝在發(fā)動機固定座上，如圖3所示。機載振動測試系統(tǒng)的采樣頻率為4.8 kHz，采樣時間為41 s，采樣點數(shù)為196 800個，發(fā)動機X、Y、Z 3個方向的振動測試時域曲線如圖4所示。

表2 TX25A型垂直起降無人機參數(shù)

圖3 機載振動測試系統(tǒng)安裝圖

圖4 TX25A型垂直起降無人機發(fā)動機振動測試時域曲線

3 振動測試數(shù)據(jù)處理

3.1 多項式趨勢消除

機載振動測試系統(tǒng)采集到的振動數(shù)據(jù)，由于放大器隨溫度變化產(chǎn)生的零點漂移、傳感器頻率范圍外低頻性能的不穩(wěn)定和傳感器周圍的環(huán)境干擾，往往會偏離基線，甚至偏離基線的大小還會隨時間變化。偏離基線隨時間變化的整個過程被稱為信號的趨勢項。趨勢項直接影響信號的正確性，應(yīng)該將其剔除。

令測試得到的振動時域信號為[x1x2…xk]T（k=1，2，3，…，n），采樣時間間隔Δt=1/4 800 s。基于最小二乘法，消除線性趨勢項的計算公式可表達(dá)為：

其中，yk——消除多項式趨勢后的時域信號，a0和a1的表達(dá)式為：

3.2 平滑處理

機載振動采集系統(tǒng)采樣得到的振動數(shù)據(jù)往往疊加有噪聲信號。噪聲信號除了有50 Hz的工頻及其倍頻程等周期性的干擾信號外，還有不規(guī)則的隨機干擾信號。由于隨機干擾信號的頻帶較寬，有時高頻成分所占的比例較大，使得測試得到的時域曲線呈現(xiàn)很多毛刺、不光滑。為了削弱干擾信號的影響，需要對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。五點三次平滑法利用最小二乘法原理對離散數(shù)據(jù)進(jìn)行三次最小二乘，計算公式為：

式（3）中：i=3，4，…，m-2。

3.3 頻譜變換

對采集到的原始振動時域信號消除多項式趨勢和平滑處理，然后進(jìn)行頻譜變換，將時域信號進(jìn)行頻譜變換獲得振動信號每條譜線的功率譜密度值。本研究采用MATLAB數(shù)值分析軟件中的Welch法功率譜估計函數(shù)pwelch（）進(jìn)行功率譜密度的求解，在頻譜變換過程中使用漢寧窗函數(shù)hanning（）。

4 振動載荷譜歸納

4.1 PSD譜假設(shè)檢驗

根據(jù)GB/T 4797.9—2021，螺旋槳式飛行器的振動信號服從對數(shù)正態(tài)分布。對PSD譜進(jìn)行對數(shù)變換，并進(jìn)行卡方檢驗是否服從正態(tài)分布。根據(jù)GJB/Z 126—99的要求，測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)自由度需大于45°，將X、Y、Z 3個方向的振動采集數(shù)據(jù)分別等分為46個小樣本，每個樣本的數(shù)據(jù)量為4 096個。利用MATLAB中的卡方檢驗函數(shù)chi2gof（）進(jìn)行檢驗，得到X、Y、Z 3個方向分別有374、386、364條譜線的數(shù)據(jù)無法采用，對不滿足要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。

4.2 PSD譜歸納方法

采用正態(tài)容差限對PSD譜進(jìn)行歸納，通過以下公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

式（4）中：x——PSD譜的縱坐標(biāo)值，即譜值；

y——譜值的對數(shù)。

y的正態(tài)容差限（NTL）定義為：對于y的所有可能取值，在γ置信度下，能夠覆蓋集合y的100β%數(shù)據(jù)的置信上限，可由下式給出：

Sy——樣本標(biāo)準(zhǔn)差；

C——正態(tài)容差因子。

通過查表，在樣本量為46個，置信度為50%，覆蓋95%的條件下，正態(tài)單邊容差因子值為1.66。

PSD譜的正態(tài)單邊容差限可以通過以下公式計算得到：

TX25A型垂直起降無人機振動測試數(shù)據(jù)PSD譜在50%置信度和95%覆蓋條件下的正態(tài)容差包絡(luò)曲線如圖5所示。

圖5 無人機振動測試數(shù)據(jù)PSD的95/50NTL包絡(luò)線

4.3 振動載荷譜平滑處理

對于試驗室振動試驗，圖5中所示的曲線無法直接被使用，因此需要進(jìn)行進(jìn)一步的平滑處理，得到可以用于振動臺的振動載荷譜。本研究采用倍頻程平均法，結(jié)果表明，采用1/3倍頻程平均的斷點數(shù)量能夠與整體形狀形成最佳匹配，故選擇1/3倍頻程。

選用1 000 Hz為基準(zhǔn)頻率，以2為基數(shù)，1/3倍頻程的中心頻率為：

式（8）中：fu——倍頻程帶上邊界；

fl——倍頻程帶下邊界。

取倍頻程帶寬內(nèi)的所有頻率點的縱坐標(biāo)的平均值，作為功率譜密度值。采用標(biāo)準(zhǔn)斜率繪制振動載荷譜，采用12 dB/oct或6 dB/oct的倍數(shù)作為斜率，可以得到標(biāo)準(zhǔn)斜率1/3倍頻程平均法下的振動載荷譜曲線，如圖6所示。

圖6 TX25A型垂直起降無人機發(fā)動機振動載荷譜

5 結(jié)束語

本文提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊的機載輕量化振動測量系統(tǒng)，對該測量系統(tǒng)的主要功能性能參數(shù)及指標(biāo)進(jìn)行了介紹。利用該測量系統(tǒng)對TX25A型垂直起降無人機發(fā)動機安裝面的振動進(jìn)行了測量?；跍y得的振動數(shù)據(jù)，給出時域信號的處理方法及利用MATLAB數(shù)值分析軟件對測得的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜變換。提出針對功率譜密度譜的歸納方法，該方法基于統(tǒng)計學(xué)原理，采用正態(tài)容差法，通過對功率譜密度值進(jìn)行對數(shù)正態(tài)變換，考慮正態(tài)容差因子的影響，編制標(biāo)準(zhǔn)斜率下的無人機發(fā)動機振動載荷譜。本文給出了實現(xiàn)振動載荷編制的MATLAB方法，利用該方法可以快速地對測得的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行載荷譜的編制，實施簡單、工程化強，具有實際的工程意義。