光電穩(wěn)定平臺(tái)的設(shè)計(jì)與分析

姚建寧 李紅珊 徐 兵

1.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司 天津 300301

2.益誠真空技術(shù)(天津)有限公司 天津 300308

1 設(shè)計(jì)背景

隨著信息技術(shù)和航空工業(yè)的快速發(fā)展,機(jī)載光電穩(wěn)定平臺(tái)憑借體積小、質(zhì)量小、穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于巡檢、航拍、測繪等領(lǐng)域,可以完成對(duì)目標(biāo)物的定期跟蹤、觀測等相關(guān)作業(yè)[1]。光電穩(wěn)定平臺(tái)作為無人機(jī)的眼睛,對(duì)于完成偵察、定位、跟蹤、校射等任務(wù)而言至關(guān)重要。在復(fù)雜的航空環(huán)境條件下,要保證載荷的成像質(zhì)量,不僅要求無人機(jī)光電穩(wěn)定平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度,而且要求具備優(yōu)良的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[2-3]。因此,光電穩(wěn)定平臺(tái)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)無人機(jī)偵察系統(tǒng)非常重要。

北方某林場為應(yīng)對(duì)連年出現(xiàn)的火災(zāi)隱患,提出針對(duì)森林防火進(jìn)行偵察和探測的無人機(jī)光電穩(wěn)定平臺(tái)研制需求。根據(jù)技術(shù)要求,在進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和整機(jī)有限元仿真后,完成了光電穩(wěn)定平臺(tái)的生產(chǎn)和調(diào)試。依據(jù)無人機(jī)功率譜密度,對(duì)光電穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)性能測試,包含功能性測試和穩(wěn)定性測試。隨后搭載在無人機(jī)上,完成掛載飛行測試,由此從多個(gè)角度來驗(yàn)證光電穩(wěn)定平臺(tái)的設(shè)計(jì)合理性。

2 光電穩(wěn)定平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

光電穩(wěn)定平臺(tái)主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 光電穩(wěn)定平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)研制要求,光電穩(wěn)定平臺(tái)同時(shí)搭載可見光相機(jī)、短波紅外、中波紅外、長波紅外共四個(gè)載荷。采用傳統(tǒng)兩軸兩框架結(jié)構(gòu)形式,利用軸上測角器和俯仰框架內(nèi)部的三自由度速率陀螺,對(duì)機(jī)體的振動(dòng)和擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息檢測與反饋。通過被動(dòng)隔振系統(tǒng)和伺服控制主動(dòng)隔振設(shè)計(jì),有效隔離傳遞到光電穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)框架載荷上的各種振動(dòng)和干擾,使任務(wù)載荷在慣性空間內(nèi)時(shí)刻保持視軸穩(wěn)定,消除圖像抖動(dòng),滿足光電穩(wěn)定平臺(tái)的研制技術(shù)需求。

光電穩(wěn)定平臺(tái)包含方位支撐框架和俯仰運(yùn)動(dòng)框架部分。方位支撐框架由方位直驅(qū)力矩電機(jī)通過方位軸系驅(qū)動(dòng)整個(gè)俯仰運(yùn)動(dòng)框架進(jìn)行伺服運(yùn)動(dòng),同時(shí)利用滑環(huán)實(shí)現(xiàn)方位框架內(nèi)元器件與俯仰框架內(nèi)載荷等的電氣連接,保證方位轉(zhuǎn)動(dòng)組件360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)。俯仰運(yùn)動(dòng)框架由俯仰直驅(qū)力矩電機(jī)通過俯仰軸系驅(qū)動(dòng)俯仰內(nèi)框架上的四個(gè)光學(xué)載荷進(jìn)行伺服運(yùn)動(dòng),同時(shí)通過機(jī)械限位保證俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)組件在-100°～100°之間轉(zhuǎn)動(dòng),完全滿足技術(shù)指標(biāo)要求。方位測角器和俯仰測角器可以實(shí)時(shí)檢測并回傳兩個(gè)框架的角度位置信息,俯仰內(nèi)框架上的三自由度速率陀螺能夠在惡劣的沖擊和振動(dòng)環(huán)境中提供高精度速率檢測。光電穩(wěn)定平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 光電穩(wěn)定平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

3 有限元仿真分析

3.1 材料

無人機(jī)機(jī)體的持續(xù)振動(dòng)會(huì)影響光電穩(wěn)定平臺(tái)的光學(xué)視軸穩(wěn)定,由此對(duì)光電穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出更高的要求[4]。光電穩(wěn)定平臺(tái)在實(shí)際飛行作業(yè)時(shí),需具備良好的動(dòng)態(tài)性能和極高的穩(wěn)定精度。為最大限度滿足伺服控制的需求,在保證光電穩(wěn)定平臺(tái)質(zhì)量和尺寸要求的前提下,需要盡量提高光電穩(wěn)定平臺(tái)的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度[5]。

為降低光電穩(wěn)定平臺(tái)的研制成本,縮短研制周期,采用有限元仿真軟件對(duì)光電穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行仿真分析。材料以7075和2A12鋁合金為主體,軸系等核心轉(zhuǎn)動(dòng)部件采用40Cr不銹鋼材質(zhì),球殼等非承力部件采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)材質(zhì),不同材料的性能屬性見表2。在不影響有限元仿真精度的前提下,對(duì)光電穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行了模型處理,如對(duì)倒角和螺紋孔等進(jìn)行了簡化。對(duì)整機(jī)裝配體完成網(wǎng)格劃分,結(jié)構(gòu)單元數(shù)為2 410 603,節(jié)點(diǎn)數(shù)為5 347 367,為靜力學(xué)和模態(tài)仿真分析奠定了基礎(chǔ)。

表2 材料性能屬性

3.2 靜力學(xué)分析

進(jìn)行靜力學(xué)分析的目的是檢驗(yàn)光電穩(wěn)定平臺(tái)在重力、負(fù)載及飛行作業(yè)時(shí)慣性力矩等作用下,結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變是否在材料許用范圍內(nèi)[6]。通過獲取光電穩(wěn)定平臺(tái)所掛載機(jī)體內(nèi)部傳感器數(shù)值,綜合分析無人機(jī)通過自身一級(jí)減振后附加給所掛載光電穩(wěn)定平臺(tái)三個(gè)方向的加速度值不超過2.5g,g為重力加速度。因此在光電穩(wěn)定平臺(tái)三個(gè)方向分別施加2.5g加速度載荷,同時(shí)結(jié)合實(shí)際飛行工況及所受的風(fēng)阻力、重力等因素,進(jìn)行靜力學(xué)分析。靜力學(xué)分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 靜力學(xué)分析結(jié)果圖

由靜力學(xué)分析結(jié)果可知,光電穩(wěn)定平臺(tái)所受總體應(yīng)力最大值為51 MPa,產(chǎn)生在基座掛載安裝板部位;所受總體變形最大值為0.53 mm,產(chǎn)生在內(nèi)框架轉(zhuǎn)動(dòng)部位最下端,符合實(shí)際工況。

應(yīng)力最大處的基座掛載安裝板采用7075鋁合金板材加工而成,屈服強(qiáng)度為450 MPa,遠(yuǎn)大于所受總體應(yīng)力最大值。最大變形為0.53 mm,對(duì)光電穩(wěn)定平臺(tái)的整機(jī)性能基本無影響。通過靜力學(xué)分析,可知光電穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,滿足研制要求。

3.3 模態(tài)分析

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性,每一個(gè)模態(tài)都具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。模態(tài)分析是研究部件動(dòng)力學(xué)特性的有效方法。無人機(jī)在飛行過程中,電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳進(jìn)行周期性旋轉(zhuǎn),進(jìn)而將這種運(yùn)動(dòng)傳遞到光電穩(wěn)定平臺(tái)上。當(dāng)光電穩(wěn)定平臺(tái)的固有頻率和輸入信號(hào)頻率接近時(shí),會(huì)引起光電穩(wěn)定平臺(tái)的振動(dòng)擴(kuò)大,進(jìn)一步傳遞到載荷上,導(dǎo)致載荷視軸不穩(wěn),圖像效果不佳,直接影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性[7-10]。

對(duì)光電穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行模態(tài)仿真分析,既可以有效增大剛重比,進(jìn)而提高系統(tǒng)的伺服帶寬與穩(wěn)定性,又可以合理避免光電穩(wěn)定平臺(tái)自身與減振裝置、掛載體等產(chǎn)生共振。利用與靜力學(xué)分析同樣的前處理模型和網(wǎng)格劃分,對(duì)光電穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行模態(tài)分析,前四階模態(tài)分析云圖如圖3所示,前六階固有頻率見表3。

圖3 模態(tài)分析云圖

表3 前六階固有頻率 Hz

通過模態(tài)分析結(jié)果可見,光電穩(wěn)定平臺(tái)的基頻為32.1 Hz,二階頻率為39.7 Hz。實(shí)際應(yīng)用掛載的無人機(jī)主槳轉(zhuǎn)速小于350 rad/min,二者相差較遠(yuǎn)。因此,光電穩(wěn)定平臺(tái)避開了所掛載無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和槳葉的固有頻率,且高于無人機(jī)自身基頻,大于光電穩(wěn)定平臺(tái)的伺服帶寬。進(jìn)一步與客戶溝通確認(rèn),光電穩(wěn)定平臺(tái)與無人機(jī)上的其它設(shè)備均不會(huì)發(fā)生共振。模態(tài)分析結(jié)果表明,光電穩(wěn)定平臺(tái)設(shè)計(jì)合理,滿足研制要求。

4 振動(dòng)測試

在光電穩(wěn)定平臺(tái)完成總體設(shè)計(jì)和有限元仿真分析的基礎(chǔ)上,完成實(shí)物的生產(chǎn)制造加工。經(jīng)過系統(tǒng)裝配、調(diào)試和測試后,對(duì)光電穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)測試。

研制的光電穩(wěn)定平臺(tái)尺寸和質(zhì)量都較大,對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)測試,需要研制一臺(tái)基頻遠(yuǎn)高于待測試設(shè)備前四階固有頻率的振動(dòng)工裝。否則由于工裝自身基頻太低,極易引起試驗(yàn)中待測試設(shè)備與振動(dòng)工裝產(chǎn)生共振,對(duì)設(shè)備產(chǎn)生損壞。為驗(yàn)證光電穩(wěn)定平臺(tái)的性能,特意研制了一臺(tái)專用振動(dòng)工裝,并對(duì)專用振動(dòng)工裝進(jìn)行掃頻試驗(yàn)。

對(duì)光電穩(wěn)定平臺(tái)專用振動(dòng)工裝進(jìn)行掃頻試驗(yàn),掃頻頻率從0至2 000 Hz。由掃頻試驗(yàn)結(jié)果得到專用振動(dòng)工裝基頻為438.8 Hz,能滿足光電穩(wěn)定平臺(tái)振動(dòng)測試的需求。

光電穩(wěn)定平臺(tái)利用無人機(jī)掛載飛行作業(yè),將光電穩(wěn)定平臺(tái)安裝于專用振動(dòng)工裝上,采用三點(diǎn)平均控制法,基于所掛載無人機(jī)的功率譜密度曲線,對(duì)光電穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行三個(gè)方向的振動(dòng)測試。無人機(jī)功率譜密度曲線如圖4所示,振動(dòng)測試現(xiàn)場如圖5所示,傳感器測量點(diǎn)安裝位置如圖6所示。以豎直方向?yàn)槔?振動(dòng)測試控制曲線如圖7所示,振動(dòng)測試結(jié)果如圖8所示。

圖4 無人機(jī)功率譜密度曲線

圖5 光電穩(wěn)定平臺(tái)振動(dòng)測試現(xiàn)場

圖6 傳感器測量點(diǎn)安裝位置

圖7 振動(dòng)測試控制曲線

圖8 振動(dòng)測試結(jié)果

由振動(dòng)測試結(jié)果可知,光電穩(wěn)定平臺(tái)在測試過程中各項(xiàng)功能工作正常,測試結(jié)束后無任何零部件脫落、異響和損壞,性能可靠。測試過程中,四個(gè)載荷工作正常,載荷視軸穩(wěn)定性良好,載荷成像清晰,滿足研制技術(shù)要求。在無人機(jī)機(jī)體主槳振動(dòng)頻率區(qū)間,光電穩(wěn)定平臺(tái)的振動(dòng)量級(jí)符合振動(dòng)測試控制驅(qū)動(dòng)要求,性能良好。通過對(duì)光電穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)測試,驗(yàn)證了光電穩(wěn)定平臺(tái)設(shè)計(jì)的合理性和穩(wěn)定性。

振動(dòng)測試過程中,利用光電穩(wěn)定平臺(tái)的載荷高清相機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場穩(wěn)定性測試。對(duì)安裝于俯仰內(nèi)框架上的高精度速率陀螺進(jìn)行陀螺積分采樣觀測,采樣結(jié)果如圖9所示。由測量數(shù)據(jù)進(jìn)行取均值計(jì)算,可知光電穩(wěn)定平臺(tái)的整機(jī)穩(wěn)定精度約為1.2 mrad,穩(wěn)定效果良好,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 陀螺采樣結(jié)果

5 飛行試驗(yàn)

為了驗(yàn)證光電穩(wěn)定平臺(tái)的實(shí)際性能,在內(nèi)蒙古某地利用配套無人機(jī)搭載光電穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行實(shí)際飛行試驗(yàn)。以某機(jī)場為中心,對(duì)沿途河流、林場等相關(guān)航點(diǎn)和火點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)觀測[11-12]。無人機(jī)搭載光電穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行升空飛行試驗(yàn),如圖10所示。飛行過程中,通過地面端實(shí)時(shí)發(fā)送指令,進(jìn)行間斷性拍照。飛行過程中光電穩(wěn)定平臺(tái)多載荷回傳數(shù)據(jù)如圖11所示。通過對(duì)回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析可知,光電穩(wěn)定平臺(tái)載荷拍照?qǐng)D像清晰,效果良好,滿足應(yīng)用需求。

圖10 飛行試驗(yàn)

通過實(shí)際掛載飛行試驗(yàn),有效證明了光電穩(wěn)定平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能滿足應(yīng)用要求,視軸穩(wěn)定,回傳圖像清晰,效果極佳,充分驗(yàn)證了光電穩(wěn)定平臺(tái)滿足研制技術(shù)要求。

6 結(jié)束語

針對(duì)某林場對(duì)火災(zāi)隱患的實(shí)際應(yīng)用需求,設(shè)計(jì)了一種可同時(shí)搭載多載荷的光電穩(wěn)定平臺(tái)。

對(duì)光電穩(wěn)定平臺(tái)完成總體設(shè)計(jì)后,進(jìn)行有限元靜力學(xué)和模態(tài)仿真分析。

分析結(jié)果顯示,滿足研制要求。

在仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)物加工制造和調(diào)試,依據(jù)無人機(jī)功率譜密度對(duì)光電穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)測試。振動(dòng)測試結(jié)果表明,光電穩(wěn)定平臺(tái)各項(xiàng)功能良好,性能可靠,驗(yàn)證光電穩(wěn)定平臺(tái)設(shè)計(jì)的合理性。

進(jìn)行實(shí)際的掛載飛行試驗(yàn),通過載荷回傳數(shù)據(jù)可知,光電穩(wěn)定平臺(tái)視軸穩(wěn)定,回傳圖像數(shù)據(jù)清晰,進(jìn)一步驗(yàn)證了光電穩(wěn)定平臺(tái)完全滿足研制要求。