袁 輝,于昊天,冶竣峰,尤錢亮

(南通智能感知研究院,江蘇 南通 226007)

隨著無人機應(yīng)用場景越來越豐富,機載光學(xué)遙感儀器的應(yīng)用日益增多,光學(xué)遙感儀器通過無人機掛載對地面目標(biāo)物體進(jìn)行推掃光譜成像。無人機飛行過程中,風(fēng)載荷擾動和無人機本體振動會直接傳遞到光學(xué)遙感儀器,影響其圖像采集質(zhì)量。為了提高圖像采集質(zhì)量,配置機載穩(wěn)定云臺的必要性和重要性愈發(fā)突出。由于無人機起飛載重有限,因此對輕小型穩(wěn)定云臺的要求較高,只有穩(wěn)定云臺的質(zhì)量占比小、留給光學(xué)遙感儀器的質(zhì)量充足,才可以滿足高性能光學(xué)遙感儀器對成像穩(wěn)定性的要求。本文主要對一款輕小型、高穩(wěn)定精度的無人機載穩(wěn)定云臺進(jìn)行設(shè)計與研究,從而滿足機載光譜儀對成像穩(wěn)定性的要求[1-4]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 整機方案

機載云臺由減震組件、航向軸組件、橫滾軸組件、俯仰軸組件及載荷安裝座組件組成,如圖1、圖2所示。機載云臺的三軸調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)可靈活調(diào)節(jié)光譜儀重心。減震組件通過螺栓與無人機相連;航向軸組件與減震組件可通過單軸滑動調(diào)節(jié)整機重心;橫滾軸組件與航向軸組件通過關(guān)節(jié)直驅(qū)電機進(jìn)行轉(zhuǎn)動連接,配合結(jié)構(gòu)硬限位及滑動連接,可實現(xiàn)橫滾軸臂單軸滑動調(diào)節(jié)和X軸方向重心調(diào)整;俯仰軸組件與橫滾軸組件通過關(guān)節(jié)直驅(qū)電機轉(zhuǎn)動連接,配合結(jié)構(gòu)硬限位及滑動連接,可實現(xiàn)俯仰軸臂單軸滑動調(diào)節(jié)和Y軸方向重心調(diào)整;載荷安裝座實現(xiàn)光譜儀與俯仰軸的連接,同時載荷安裝座設(shè)計有滑動機構(gòu),可實現(xiàn)單軸滑動調(diào)節(jié)和Z軸方向重心調(diào)整。整個云臺通過在X軸、Y軸、Z軸3個方向的重心調(diào)節(jié),可以實現(xiàn)云臺及載荷的重心與無人機重心的匹配,保障無人機飛行穩(wěn)定[5-6]。

圖1 云臺整機系統(tǒng)示意圖

圖2 云臺總裝示意圖

1.2 減震組件設(shè)計

如圖3所示,減震組件由無人機轉(zhuǎn)接板、加高柱、減震座、航向軸安裝板、減震轉(zhuǎn)接板組成,各零件之間通過螺釘連接。云臺控制盒安裝在航向軸安裝板上方,4個減震座可以實現(xiàn)20千克級掛載、能夠隔離無人機的高頻振動對云臺穩(wěn)定性的影響[7-9]。

圖3 減震組件示意圖

1.3 航向軸組件設(shè)計

如圖4所示,航向軸組件由航向臂、航向臂鎖緊塊、航向臂滑動座、橫滾臂滑動底板、橫滾電機組成。航向臂在航向臂滑動座內(nèi)通過單向滑動調(diào)整載荷重心,調(diào)整到位后通過鎖緊塊將航向臂位置固定;航向臂為對開式內(nèi)部鏤空減重結(jié)構(gòu),可保障足夠剛度和較小的質(zhì)量;航向臂末端與橫滾電機定子固連,橫滾電機轉(zhuǎn)子上安裝的橫滾臂滑動底板用于安裝橫滾軸組件,橫滾臂滑動底板上設(shè)置的結(jié)構(gòu)硬限位可確保橫滾電機只能轉(zhuǎn)動一定的角度,防止過度轉(zhuǎn)動損壞載荷。

圖4 航向軸組件示意圖

1.4 橫滾軸組件設(shè)計

如圖5所示,橫滾軸組件由橫滾臂、橫滾臂鎖緊塊、橫滾臂滑動座、俯仰臂安裝座、俯仰電機組成。橫滾臂通過在橫滾臂滑動座內(nèi)單向滑動調(diào)整載荷Z軸方向重心,調(diào)整到位后通過鎖緊塊將橫滾臂位置固定。橫滾臂為對開式內(nèi)部鏤空減重結(jié)構(gòu),可保障足夠剛度和較小的質(zhì)量。橫滾臂末端與俯仰電機定子固連,俯仰電機轉(zhuǎn)子上安裝的俯仰臂滑動底板用于安裝俯仰軸組件。俯仰臂滑動底板上設(shè)計的結(jié)構(gòu)硬限位,可確保俯仰電機只能轉(zhuǎn)動一定角度,防止過度轉(zhuǎn)動損壞載荷。

圖5 橫滾軸組件示意圖

1.5 俯仰軸組件設(shè)計

如圖6和7所示,俯仰軸組件由俯仰臂、俯仰臂鎖緊塊、俯仰臂滑動座、載荷安裝座組成,載荷安裝座由工字型載荷安裝座、載荷滑動座、載荷座鎖緊塊、滑動座壓蓋組成。俯仰臂、載荷滑動座、工字型載荷安裝座為對開式內(nèi)部鏤空結(jié)構(gòu),可保障足夠的結(jié)構(gòu)剛性和較小的質(zhì)量。俯仰臂在俯仰臂滑動座內(nèi)通過單向移動來調(diào)整載荷Y軸方向重心,調(diào)整到位后通過鎖緊塊將俯仰臂位置固定;工字型載荷安裝座通過螺釘與光譜儀固連,通過載荷滑動座可實現(xiàn)光譜儀Z軸方向重心調(diào)節(jié),位置調(diào)整到位后通過載荷座鎖緊塊固定位置。

圖6 俯仰軸組件示意圖

圖7 載荷安裝座示意圖

2 靜力學(xué)仿真分析

2.1 航向軸靜力學(xué)分析

云臺結(jié)構(gòu)件材質(zhì)均為6061鋁合金,如圖8所示,為減少有限元計算量,光學(xué)載荷、俯仰軸、橫滾軸等零部件根據(jù)實際質(zhì)量和質(zhì)心位置在橫滾軸關(guān)節(jié)直驅(qū)電機端面上添加質(zhì)量點,根據(jù)實際掛載情況添加約束。通過分析計算可知航向軸變形量最大為0.111 mm、應(yīng)力最大為31.28 MPa,變形量和應(yīng)力均滿足材料許用要求及云臺功能要求[10-13]。

圖8 航向軸靜力學(xué)分析

2.2 橫滾軸靜力學(xué)分析

如圖9所示,為減小有限元計算量,光學(xué)載荷、俯仰軸等零部件根據(jù)實際質(zhì)量和質(zhì)心位置在俯仰軸關(guān)節(jié)直驅(qū)電機端面上添加質(zhì)量點,根據(jù)實際掛載情況進(jìn)行約束添加和重力添加。通過分析計算可知航向軸變形量最大為0.139 mm、應(yīng)力最大為15.741 MPa,變形量和應(yīng)力均滿足材料許用要求及云臺功能要求。

圖9 橫滾軸靜力學(xué)分析

2.3 俯仰軸靜力學(xué)分析

如圖10所示,為減小有限元計算量,光學(xué)載荷根據(jù)實際質(zhì)量和質(zhì)心位置在載荷安裝座端面上添加質(zhì)量點,根據(jù)實際掛載情況進(jìn)行約束添加和重力添加。通過分析計算可知航向軸變形量最大為0.626 mm、應(yīng)力最大為29.069 MPa,變形量和應(yīng)力均滿足材料許用要求及云臺功能要求。

圖10 俯仰軸靜力學(xué)分析

3 動力學(xué)仿真分析

3.1 俯仰軸動力學(xué)分析

如圖11所示,俯仰軸組件通過載荷安裝座連接光學(xué)遙感儀器(光譜儀),整個俯仰軸組通過載荷安裝座上下調(diào)節(jié)機構(gòu)、俯仰臂左右調(diào)節(jié)機構(gòu)將組件的質(zhì)心與俯仰軸回轉(zhuǎn)中心重合。在三維軟件SolidWorks中對俯仰軸添加±30°位移驅(qū)動,可得出俯仰軸角速度、角加速度及力矩的峰值分別為60(°)/s、284(°)/s2、419.6 N·mm(圖12),仿真結(jié)果均在俯仰軸關(guān)節(jié)直驅(qū)電機的使用范圍內(nèi),滿足云臺使用要求。

圖11 俯仰軸帶負(fù)載示意圖

圖12 俯仰軸動力學(xué)分析

3.2 橫滾軸動力學(xué)分析

如圖13所示,俯仰軸組件、光學(xué)遙感儀器(光譜儀)、橫滾軸組件三者質(zhì)心已通過橫滾臂調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)到與橫滾軸回轉(zhuǎn)中心重合。在三維軟件SolidWorks中對俯仰軸添加±30°位移驅(qū)動,可得出俯仰軸角速度、角加速度及力矩的峰值分別為60(°)/s、284(°)/s2、407 N·mm(圖14),仿真結(jié)果均在橫滾軸關(guān)節(jié)直驅(qū)電機的使用范圍內(nèi),滿足云臺使用要求。

圖13 橫滾軸帶負(fù)載示意圖

4 樣機組裝及掛飛

如圖15所示,經(jīng)過設(shè)計、加工和組裝,云臺已與光學(xué)遙感儀器(光譜儀)、無人機實現(xiàn)了集成,并完成了室外掛飛試驗。光譜儀內(nèi)部集成了陀螺儀,光譜儀與云臺末端的載荷安裝座固連,陀螺儀的姿態(tài)數(shù)據(jù)即是云臺末端的姿態(tài)。光譜儀通過無人機配合云臺推掃成像的過程中,要保障光譜儀的望遠(yuǎn)鏡窗口與地面時刻保持平行。受氣流擾動和無人機本體振動的影響,光譜儀的望遠(yuǎn)鏡窗口與地面間的平行度時刻處于波動中。

圖15 云臺樣機及掛飛示意圖

如圖16所示,云臺根據(jù)陀螺儀記錄的姿態(tài)變化量控制俯仰軸和橫滾軸關(guān)節(jié)直驅(qū)電機動作、修正姿態(tài),保證望遠(yuǎn)鏡窗口盡量與地面平行,減少光譜儀在一個積分時間內(nèi)成像的幾何畸變、增強光譜儀的成像效果。如圖17、圖18所示,云臺外場試驗采集的俯仰軸和橫滾軸在一個積分周期(12 ms)內(nèi)的擺動角度達(dá)到了0.015°(即穩(wěn)定精度),滿足了光譜儀成像質(zhì)量要求。

圖16 云臺姿態(tài)閉合控制示意圖

圖17 俯仰軸穩(wěn)定精度

圖18 橫滾軸穩(wěn)定精度

5 結(jié)束語

由文中的云臺結(jié)構(gòu)方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿真、結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真可知,云臺結(jié)構(gòu)構(gòu)型、材料選型及關(guān)節(jié)直驅(qū)電機均滿足云臺穩(wěn)像功能要求。通過云臺樣機制造、組裝及外場試驗掛飛進(jìn)一步驗證了云臺方案的合理性,穩(wěn)定云臺成功消除了無人機本體振動和風(fēng)載荷擾動對光學(xué)成像質(zhì)量穩(wěn)定性的影響。本文對輕小型、高精度機載穩(wěn)定云臺進(jìn)行的系統(tǒng)研究方法經(jīng)實踐證明是合理可行的,可為同類型穩(wěn)定云臺研制、迭代升級提供重要參考和借鑒。