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)計背景

隨著信息技術(shù)和航空工業(yè)的快速發(fā)展,機載光電穩(wěn)定平臺憑借體積小、質(zhì)量小、穩(wěn)定度高等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于巡檢、航拍、測繪等領(lǐng)域,可以完成對目標物的定期跟蹤、觀測等相關(guān)作業(yè)[1]。光電穩(wěn)定平臺作為無人機的眼睛,對于完成偵察、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,不僅要求無人機光電穩(wěn)定平臺框架結(jié)構(gòu)具有足夠的強度和剛度,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)定平臺的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對整個無人機偵察系統(tǒng)非常重要。

北方某林場為應(yīng)對連年出現(xiàn)的火災(zāi)隱患,提出針對森林防火進行偵察和探測的無人機光電穩(wěn)定平臺研制需求。根據(jù)技術(shù)要求,在進行總體設(shè)計和整機有限元仿真后,完成了光電穩(wěn)定平臺的生產(chǎn)和調(diào)試。依據(jù)無人機功率譜密度,對光電穩(wěn)定平臺進行振動性能測試,包含功能性測試和穩(wěn)定性測試。隨后搭載在無人機上,完成掛載飛行測試,由此從多個角度來驗證光電穩(wěn)定平臺的設(shè)計合理性。

2 光電穩(wěn)定平臺總體設(shè)計

光電穩(wěn)定平臺主要技術(shù)指標見表1。

表1 光電穩(wěn)定平臺技術(shù)指標

根據(jù)研制要求,光電穩(wěn)定平臺同時搭載可見光相機、短波紅外、中波紅外、長波紅外共四個載荷。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,對機體的振動和擾動進行實時信息檢測與反饋。通過被動隔振系統(tǒng)和伺服控制主動隔振設(shè)計,有效隔離傳遞到光電穩(wěn)定平臺內(nèi)框架載荷上的各種振動和干擾,使任務(wù)載荷在慣性空間內(nèi)時刻保持視軸穩(wěn)定,消除圖像抖動,滿足光電穩(wěn)定平臺的研制技術(shù)需求。

光電穩(wěn)定平臺包含方位支撐框架和俯仰運動框架部分。方位支撐框架由方位直驅(qū)力矩電機通過方位軸系驅(qū)動整個俯仰運動框架進行伺服運動,同時利用滑環(huán)實現(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)動組件360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)。俯仰運動框架由俯仰直驅(qū)力矩電機通過俯仰軸系驅(qū)動俯仰內(nèi)框架上的四個光學(xué)載荷進行伺服運動,同時通過機械限位保證俯仰轉(zhuǎn)動組件在-100°～100°之間轉(zhuǎn)動,完全滿足技術(shù)指標要求。方位測角器和俯仰測角器可以實時檢測并回傳兩個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環(huán)境中提供高精度速率檢測。光電穩(wěn)定平臺的總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 光電穩(wěn)定平臺總體設(shè)計

3 有限元仿真分析

3.1 材料

無人機機體的持續(xù)振動會影響光電穩(wěn)定平臺的光學(xué)視軸穩(wěn)定,由此對光電穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)強度提出更高的要求[4]。光電穩(wěn)定平臺在實際飛行作業(yè)時,需具備良好的動態(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)定平臺的結(jié)構(gòu)剛度和強度[5]。

為降低光電穩(wěn)定平臺的研制成本,縮短研制周期,采用有限元仿真軟件對光電穩(wěn)定平臺進行仿真分析。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,對光電穩(wěn)定平臺進行了模型處理,如對倒角和螺紋孔等進行了簡化。對整機裝配體完成網(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

進行靜力學(xué)分析的目的是檢驗光電穩(wěn)定平臺在重力、負載及飛行作業(yè)時慣性力矩等作用下,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)定平臺所掛載機體內(nèi)部傳感器數(shù)值,綜合分析無人機通過自身一級減振后附加給所掛載光電穩(wěn)定平臺三個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)定平臺三個方向分別施加2.5g加速度載荷,同時結(jié)合實際飛行工況及所受的風(fēng)阻力、重力等因素,進行靜力學(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)動部位最下端,符合實際工況。

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,屈服強度為450 MPa,遠大于所受總體應(yīng)力最大值。最大變形為0.53 mm,對光電穩(wěn)定平臺的整機性能基本無影響。通過靜力學(xué)分析,可知光電穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,滿足研制要求。

3.3 模態(tài)分析

模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性,每一個模態(tài)都具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。模態(tài)分析是研究部件動力學(xué)特性的有效方法。無人機在飛行過程中,電機帶動螺旋槳進行周期性旋轉(zhuǎn),進而將這種運動傳遞到光電穩(wěn)定平臺上。當光電穩(wěn)定平臺的固有頻率和輸入信號頻率接近時,會引起光電穩(wěn)定平臺的振動擴大,進一步傳遞到載荷上,導(dǎo)致載荷視軸不穩(wěn),圖像效果不佳,直接影響系統(tǒng)的動態(tài)特性[7-10]。

對光電穩(wěn)定平臺進行模態(tài)仿真分析,既可以有效增大剛重比,進而提高系統(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,對光電穩(wěn)定平臺進行模態(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)定平臺的基頻為32.1 Hz,二階頻率為39.7 Hz。實際應(yīng)用掛載的無人機主槳轉(zhuǎn)速小于350 rad/min,二者相差較遠。因此,光電穩(wěn)定平臺避開了所掛載無人機發(fā)動機和槳葉的固有頻率,且高于無人機自身基頻,大于光電穩(wěn)定平臺的伺服帶寬。進一步與客戶溝通確認,光電穩(wěn)定平臺與無人機上的其它設(shè)備均不會發(fā)生共振。模態(tài)分析結(jié)果表明,光電穩(wěn)定平臺設(shè)計合理,滿足研制要求。

4 振動測試

在光電穩(wěn)定平臺完成總體設(shè)計和有限元仿真分析的基礎(chǔ)上,完成實物的生產(chǎn)制造加工。經(jīng)過系統(tǒng)裝配、調(diào)試和測試后,對光電穩(wěn)定平臺進行振動測試。

研制的光電穩(wěn)定平臺尺寸和質(zhì)量都較大,對其進行振動測試,需要研制一臺基頻遠高于待測試設(shè)備前四階固有頻率的振動工裝。否則由于工裝自身基頻太低,極易引起試驗中待測試設(shè)備與振動工裝產(chǎn)生共振,對設(shè)備產(chǎn)生損壞。為驗證光電穩(wěn)定平臺的性能,特意研制了一臺專用振動工裝,并對專用振動工裝進行掃頻試驗。

對光電穩(wěn)定平臺專用振動工裝進行掃頻試驗,掃頻頻率從0至2 000 Hz。由掃頻試驗結(jié)果得到專用振動工裝基頻為438.8 Hz,能滿足光電穩(wěn)定平臺振動測試的需求。

光電穩(wěn)定平臺利用無人機掛載飛行作業(yè),將光電穩(wěn)定平臺安裝于專用振動工裝上,采用三點平均控制法,基于所掛載無人機的功率譜密度曲線,對光電穩(wěn)定平臺進行三個方向的振動測試。無人機功率譜密度曲線如圖4所示,振動測試現(xiàn)場如圖5所示,傳感器測量點安裝位置如圖6所示。以豎直方向為例,振動測試控制曲線如圖7所示,振動測試結(jié)果如圖8所示。

圖4 無人機功率譜密度曲線

圖5 光電穩(wěn)定平臺振動測試現(xiàn)場

圖6 傳感器測量點安裝位置

圖7 振動測試控制曲線

圖8 振動測試結(jié)果

由振動測試結(jié)果可知,光電穩(wěn)定平臺在測試過程中各項功能工作正常,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。在無人機機體主槳振動頻率區(qū)間,光電穩(wěn)定平臺的振動量級符合振動測試控制驅(qū)動要求,性能良好。通過對光電穩(wěn)定平臺進行振動測試,驗證了光電穩(wěn)定平臺設(shè)計的合理性和穩(wěn)定性。

振動測試過程中,利用光電穩(wěn)定平臺的載荷高清相機進行現(xiàn)場穩(wěn)定性測試。對安裝于俯仰內(nèi)框架上的高精度速率陀螺進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)進行取均值計算,可知光電穩(wěn)定平臺的整機穩(wěn)定精度約為1.2 mrad,穩(wěn)定效果良好,滿足設(shè)計要求。

圖9 陀螺采樣結(jié)果

5 飛行試驗

為了驗證光電穩(wěn)定平臺的實際性能,在內(nèi)蒙古某地利用配套無人機搭載光電穩(wěn)定平臺進行實際飛行試驗。以某機場為中心,對沿途河流、林場等相關(guān)航點和火點進行定點觀測[11-12]。無人機搭載光電穩(wěn)定平臺進行升空飛行試驗,如圖10所示。飛行過程中,通過地面端實時發(fā)送指令,進行間斷性拍照。飛行過程中光電穩(wěn)定平臺多載荷回傳數(shù)據(jù)如圖11所示。通過對回傳數(shù)據(jù)進行綜合分析可知,光電穩(wěn)定平臺載荷拍照圖像清晰,效果良好,滿足應(yīng)用需求。

圖10 飛行試驗

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

6 結(jié)束語

針對某林場對火災(zāi)隱患的實際應(yīng)用需求,設(shè)計了一種可同時搭載多載荷的光電穩(wěn)定平臺。

對光電穩(wěn)定平臺完成總體設(shè)計后,進行有限元靜力學(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)上進行實物加工制造和調(diào)試,依據(jù)無人機功率譜密度對光電穩(wěn)定平臺進行振動測試。振動測試結(jié)果表明,光電穩(wěn)定平臺各項功能良好,性能可靠,驗證光電穩(wěn)定平臺設(shè)計的合理性。

進行實際的掛載飛行試驗,通過載荷回傳數(shù)據(jù)可知,光電穩(wěn)定平臺視軸穩(wěn)定,回傳圖像數(shù)據(jù)清晰,進一步驗證了光電穩(wěn)定平臺完全滿足研制要求。