光電穩定平臺的設計與分析

姚建寧 李紅珊 徐 兵

1.天津航天中為數據系統科技有限公司 天津 300301

2.益誠真空技術(天津)有限公司 天津 300308

1 設計背景

隨著信息技術和航空工業的快速發展,機載光電穩定平臺憑借體積小、質量小、穩定度高等優點,廣泛應用于巡檢、航拍、測繪等領域,可以完成對目標物的定期跟蹤、觀測等相關作業[1]。光電穩定平臺作為無人機的眼睛,對于完成偵察、定位、跟蹤、校射等任務而言至關重要。在復雜的航空環境條件下,要保證載荷的成像質量,不僅要求無人機光電穩定平臺框架結構具有足夠的強度和剛度,而且要求具備優良的結構穩定性[2-3]。因此,光電穩定平臺的結構穩定性對整個無人機偵察系統非常重要。

北方某林場為應對連年出現的火災隱患,提出針對森林防火進行偵察和探測的無人機光電穩定平臺研制需求。根據技術要求,在進行總體設計和整機有限元仿真后,完成了光電穩定平臺的生產和調試。依據無人機功率譜密度,對光電穩定平臺進行振動性能測試,包含功能性測試和穩定性測試。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定平臺的設計合理性。

2 光電穩定平臺總體設計

光電穩定平臺主要技術指標見表1。

表1 光電穩定平臺技術指標

根據研制要求,光電穩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。采用傳統兩軸兩框架結構形式,利用軸上測角器和俯仰框架內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。通過被動隔振系統和伺服控制主動隔振設計,有效隔離傳遞到光電穩定平臺內框架載荷上的各種振動和干擾,使任務載荷在慣性空間內時刻保持視軸穩定,消除圖像抖動,滿足光電穩定平臺的研制技術需求。

光電穩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力矩電機通過方位軸系驅動整個俯仰運動框架進行伺服運動,同時利用滑環實現方位框架內元器件與俯仰框架內載荷等的電氣連接,保證方位轉動組件360°連續旋轉。俯仰運動框架由俯仰直驅力矩電機通過俯仰軸系驅動俯仰內框架上的四個光學載荷進行伺服運動,同時通過機械限位保證俯仰轉動組件在-100°～100°之間轉動,完全滿足技術指標要求。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,俯仰內框架上的三自由度速率陀螺能夠在惡劣的沖擊和振動環境中提供高精度速率檢測。光電穩定平臺的總體設計如圖1所示。

圖1 光電穩定平臺總體設計

3 有限元仿真分析

3.1 材料

無人機機體的持續振動會影響光電穩定平臺的光學視軸穩定,由此對光電穩定平臺結構強度提出更高的要求[4]。光電穩定平臺在實際飛行作業時,需具備良好的動態性能和極高的穩定精度。為最大限度滿足伺服控制的需求,在保證光電穩定平臺質量和尺寸要求的前提下,需要盡量提高光電穩定平臺的結構剛度和強度[5]。

為降低光電穩定平臺的研制成本,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,軸系等核心轉動部件采用40Cr不銹鋼材質,球殼等非承力部件采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)材質,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格劃分,結構單元數為2 410 603,節點數為5 347 367,為靜力學和模態仿真分析奠定了基礎。

表2 材料性能屬性

3.2 靜力學分析

進行靜力學分析的目的是檢驗光電穩定平臺在重力、負載及飛行作業時慣性力矩等作用下,結構應力和應變是否在材料許用范圍內[6]。通過獲取光電穩定平臺所掛載機體內部傳感器數值,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。因此在光電穩定平臺三個方向分別施加2.5g加速度載荷,同時結合實際飛行工況及所受的風阻力、重力等因素,進行靜力學分析。靜力學分析結果如圖2所示。

圖2 靜力學分析結果圖

由靜力學分析結果可知,光電穩定平臺所受總體應力最大值為51 MPa,產生在基座掛載安裝板部位;所受總體變形最大值為0.53 mm,產生在內框架轉動部位最下端,符合實際工況。

應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,遠大于所受總體應力最大值。最大變形為0.53 mm,對光電穩定平臺的整機性能基本無影響。通過靜力學分析,可知光電穩定平臺結構設計合理,滿足研制要求。

3.3 模態分析

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

對光電穩定平臺進行模態仿真分析,既可以有效增大剛重比,進而提高系統的伺服帶寬與穩定性,又可以合理避免光電穩定平臺自身與減振裝置、掛載體等產生共振。利用與靜力學分析同樣的前處理模型和網格劃分,對光電穩定平臺進行模態分析,前四階模態分析云圖如圖3所示,前六階固有頻率見表3。

圖3 模態分析云圖

表3 前六階固有頻率 Hz

通過模態分析結果可見,光電穩定平臺的基頻為32.1 Hz,二階頻率為39.7 Hz。實際應用掛載的無人機主槳轉速小于350 rad/min,二者相差較遠。因此,光電穩定平臺避開了所掛載無人機發動機和槳葉的固有頻率,且高于無人機自身基頻,大于光電穩定平臺的伺服帶寬。進一步與客戶溝通確認,光電穩定平臺與無人機上的其它設備均不會發生共振。模態分析結果表明,光電穩定平臺設計合理,滿足研制要求。

4 振動測試

在光電穩定平臺完成總體設計和有限元仿真分析的基礎上,完成實物的生產制造加工。經過系統裝配、調試和測試后,對光電穩定平臺進行振動測試。

研制的光電穩定平臺尺寸和質量都較大,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備與振動工裝產生共振,對設備產生損壞。為驗證光電穩定平臺的性能,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。由掃頻試驗結果得到專用振動工裝基頻為438.8 Hz,能滿足光電穩定平臺振動測試的需求。

光電穩定平臺利用無人機掛載飛行作業,將光電穩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,振動測試結果如圖8所示。

圖4 無人機功率譜密度曲線

圖5 光電穩定平臺振動測試現場

圖6 傳感器測量點安裝位置

圖7 振動測試控制曲線

圖8 振動測試結果

由振動測試結果可知,光電穩定平臺在測試過程中各項功能工作正常,測試結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,載荷視軸穩定性良好,載荷成像清晰,滿足研制技術要求。在無人機機體主槳振動頻率區間,光電穩定平臺的振動量級符合振動測試控制驅動要求,性能良好。通過對光電穩定平臺進行振動測試,驗證了光電穩定平臺設計的合理性和穩定性。

振動測試過程中,利用光電穩定平臺的載荷高清相機進行現場穩定性測試。對安裝于俯仰內框架上的高精度速率陀螺進行陀螺積分采樣觀測,采樣結果如圖9所示。由測量數據進行取均值計算,可知光電穩定平臺的整機穩定精度約為1.2 mrad,穩定效果良好,滿足設計要求。

圖9 陀螺采樣結果

5 飛行試驗

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

圖10 飛行試驗

通過實際掛載飛行試驗,有效證明了光電穩定平臺的結構強度能滿足應用要求,視軸穩定,回傳圖像清晰,效果極佳,充分驗證了光電穩定平臺滿足研制技術要求。

6 結束語

針對某林場對火災隱患的實際應用需求,設計了一種可同時搭載多載荷的光電穩定平臺。

對光電穩定平臺完成總體設計后,進行有限元靜力學和模態仿真分析。

分析結果顯示,滿足研制要求。

在仿真的基礎上進行實物加工制造和調試,依據無人機功率譜密度對光電穩定平臺進行振動測試。振動測試結果表明,光電穩定平臺各項功能良好,性能可靠,驗證光電穩定平臺設計的合理性。

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