輕小型三線陣航攝儀擺掃機構系統(tǒng)設計

孫寶玉， 郭訓薇， 姜振海,3， 黃煒祺， 王超

（1.長春工業(yè)大學機電工程學院，長春130012；2.長光衛(wèi)星技術有限公司，長春130012；3.南京華群光電技術有限公司，南京210012）

0 引 言

擺掃機構是擺掃航攝儀的部分產(chǎn)品，寬幅擺掃相機通過擺掃機構能夠使光學載荷沿單軸實現(xiàn)特定角度的間歇擺掃運動和穩(wěn)定成像，在垂直于航向的方向的多個位置進行穩(wěn)定成像，并保證重疊率，通過后期拼接獲得一幅完整的高分辨率圖像，最終獲得垂直和斜拍測圖產(chǎn)品。

目前，國內(nèi)對大幅寬、高分辨率[1]的成像需求越來越大，但是我國現(xiàn)有的航空相機無論是從性能水平，還是自主研發(fā)能力，都與西方發(fā)達國家存在著較大的差距。能夠?qū)崿F(xiàn)較大幅寬覆蓋的成像設備，其分辨率往往較低，而可以實現(xiàn)高分辨率成像的設備往往又兼顧不了寬幅成像的任務需求。國內(nèi)雖逐漸開展了對擺掃[2]相機的研制工作，但是無法保證精度的同時實現(xiàn)輕小型化設計[3-4]，無法搭載于輕小型無人機[5]上應用，并且在國內(nèi)市面上沒有相對成熟的商業(yè)化產(chǎn)品。近年來，面陣擺掃[6]航空相機的出現(xiàn)，使得一次飛行可以獲取多種影像產(chǎn)品，有力地提高了航空遙感的效率[7]，其中VisionMap公司A3相機是新一代的步進分幅成像產(chǎn)品[8]，利用擺掃機構在垂直于航向的方向多個不同位置成多幅圖像，可在一次飛行中同時獲取高分辨率的垂直和斜拍測圖產(chǎn)品；此外，Simplex mapping solutions公司的CaMundo相機的體積/質(zhì)量為12 L/3 kg，也是目前應用較廣泛的航拍儀之一。但這兩款主流三線陣航攝儀均存在體積大、質(zhì)量大、時效性差、操作復雜等缺點。本文提出的三線陣航攝儀通過前視、中視、后視等3個視角的線陣推掃成像，由具有一定交會角度的陣列CCD（Charge Coupled Device）[9-10]組成，通過3個線陣列獲取影像，從而實現(xiàn)同軌道立體成像，有效提高立體測繪精度，并且提高了多光譜成像的擴展能力，在影像質(zhì)量和數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率方面有明顯的優(yōu)勢。通過比較分析，三線陣航攝儀質(zhì)量控制在12 kg以內(nèi)，具有明顯優(yōu)勢，總體結構分為商用鏡頭、擺掃機構、光電成像組件、相機標定檢校、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等5部分，其中擺掃機構質(zhì)量控制在1500 g以內(nèi)。由于無人機平臺具有輕小、靈活及姿態(tài)快速調(diào)整的特點，體積、質(zhì)量過大將對其作業(yè)效率、巡航速度、續(xù)航時間等方面產(chǎn)生不利影響。因此，航攝儀的輕小型化研究已經(jīng)成為無人機系統(tǒng)廣泛應用的前提條件。

為了滿足市場需求，本文將重點研究輕小型三線陣航攝儀擺掃機構系統(tǒng)[11]設計，實現(xiàn)系統(tǒng)在測繪遙感領域中的規(guī)模化應用。提出了輕小型三線陣航攝儀擺掃系統(tǒng)的總體方案，給出了航攝儀的指標體系和結構布局，并進行了模態(tài)分析和關鍵技術研究。

1 三線陣航攝儀擺掃機構總體設計方案

擺掃機構系統(tǒng)由擺掃機構單軸框架、傳感器、定位限位系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制電路、電動機等組成，擺掃機構系統(tǒng)組成及總體布局如圖1所示。在本文中，結合整體設計目標，擬將擺掃相機搭載在無人機的系統(tǒng)上，使兩者有效地配合工作，將無人機航攝系統(tǒng)機動靈活、圖像獲取精度高、密度高、性價比高的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮。無人機機腹下方吊裝擺掃機構，主要部件包括驅(qū)動電動機、舵機、編碼器、相機、俯仰框架、外部框架等。外部框架與飛機轉接板相連，飛機轉接板預留接口，通過減震器與飛機機體相連；擺掃框架采用直流力矩電動機直驅(qū)的方式驅(qū)動其轉動，高精度編碼器實現(xiàn)閉環(huán)控制，并設置鎖緊機構和限位機構。擺掃機構與機身安裝的相對位置關系如圖2所示。根據(jù)無人機對于外部載荷安全尺寸的要求，機腹下方長度不得超過190 mm，現(xiàn)設計為擺掃機構在擺掃角-70°狀態(tài)下鎖死，機腹下方尺寸為177 mm。根據(jù)擺掃航攝儀的功能要求與技術指標，擺掃機構結構質(zhì)量不超 過 3 kg，擺掃機構整體結構第一階模態(tài)不小于165 Hz。

圖1 寬幅擺掃相機整體布局示意圖

2 擺掃機構結構力學特性分析

2.1 擺掃機構有限元分析模型

為了確保有限元分析的準確性，按照如下建模原則進行擺掃機構有限元模型的建立：1）模型簡化。為了方便進行網(wǎng)格劃分和分析工作，將電動機、載荷、編碼器和陀螺視為等效質(zhì)量處理，載體安裝轉接件、外框架、載荷安裝轉動架和電路板封裝組成等進行細節(jié)簡化處理。2）減震器簡化。由于減震器的材料為橡膠，因此在建立減震器有限元模型時將減震器三維模型導入有限元軟件，并賦橡膠材料屬性為：彈性模量為12 MPa，泊松比為0.48，密度為0.8×103kg/m3。3）連接等效。為了方便進行網(wǎng)格劃分和分析工作，連接處采用的共節(jié)點連接方式。4）載荷等效。有限元分析的邊界條件、載荷等盡量與實際工作狀態(tài)狀態(tài)保持一致。

擺掃機構的實際工作狀態(tài)可分為3種：彈射極限工況（水平方向承受8g過載）；滑跑起飛和降落工況（3個方向承受3g過載）；應急傘降工況（豎直方向承受5g過載）。

擺掃機構的邊界條件：1）擺掃機構結構力學特性分析。考慮無減震器時的邊界條件，擺掃機構通過4個減震器將載體安裝轉接件安裝在飛機上，邊界條件為在減震器安裝的4個孔處固定約束。2）擺掃機構整體力學特性分析。考慮有減震器時的邊界條件，擺掃機構通過4個減震器將載體安裝轉接件安裝在飛機上，根據(jù)減震器安裝的實際情況，邊界條件為在減震器上下表面處固定約束。

擺掃機構有限元分析利用Workbench軟件進行有限元建模，根據(jù)圖1對應的三維幾何模型建立了擺掃機構的有限元模型，擺掃機構整體材料選用2A12，彈性模量為71 GPa，抗拉強度為390 MPa。

圖2 擺掃機構與機身安裝的相對位置關系

2.2 模態(tài)分析

根據(jù)無人機的實際振動情況和《HB 5830.15-1996機載設備環(huán)境條件及試驗方法 外掛振動》標準對螺旋槳固定翼無人機的有關規(guī)定，確定擺掃機構的振動條件和振動試驗輸入條件如圖3所示。分析了擺掃機構結構約束模態(tài)分析前6階固有頻率，如表1所示。

圖3 無人機隨機振動輸入功率譜密度

表1 擺掃機構整機模態(tài)分析結果

從擺掃機構整機模態(tài)分析的結果看，第1階固有頻率為168.85 Hz而擺掃機構正常工作時無人機第1階激振頻率為92.5 Hz，第2階激振頻率為185 Hz，因此滿足系統(tǒng)指標的要求。

在有減震器的狀態(tài)下，進行擺掃機構整體約束模態(tài)分析，前6階固有頻率如表2所示。

表2 有減震器時擺掃機構結構模態(tài)分析結果

無人機巡航階段第1階激振頻率為92.5 Hz，從圖2的分析結果可知，擺掃機構整體模態(tài)分析的前3階模態(tài)陣型為Y平動、X平動和Z平動，頻率分別為49.6、51.5、52.0 Hz；因此擺掃機構固有頻率避開了振源激振頻率，且激振頻率大于固有頻率的倍。

2.3 靜力學分析

根據(jù)擺掃機構的實際工作環(huán)境條件，對擺掃機構進行結構靜力學分析，分別包括彈射極限工況（8g的水平過載）、滑跑起飛和降落工況（3g豎直過載）、應急傘降工況（5g豎直過載），分析結果如表3所示。

表3 靜力學分析結果

從靜力學分析的結果可知，水平8g過載時的變形最大，其最大變形為0.09 mm，不會發(fā)生永久變形；水平8g過載時產(chǎn)生的應力最大，其最大應力發(fā)生在減震器和減震器安裝板連接處（為12.9 MPa），小于鋁合金（2A12）的抗拉強度390 MPa。

在有減震器的狀態(tài)下，進行擺掃機構的整體靜力學分析，分別包括彈射極限工況（8g的水平過載）、滑跑起飛和降落工況（3g豎直過載）、應急傘降工況（5g豎直過載），分析結果如表4所示。

表4 靜力學分析結果

從靜力學分析的結果可知，水平8g過載時的變形最大，其最大變形為1.03 mm，不會發(fā)生永久變形；水平8g過載時產(chǎn)生的應力最大，其最大應力發(fā)生在減震器和減震器安裝板連接處（為17.69 MPa），小于鋁合金（2A12）的抗拉強度390 MPa。

2.4 隨機振動分析

在無減震器的狀態(tài)下，根據(jù)上述隨機振動輸入功率譜密度，分別將振動方向設置為Z 向和Y向。獲得機載振動環(huán)境下的擺掃機構的最大應力和最大變形結果如圖4所示。

圖4 無減震器時隨機振動分析結果

從擺掃機構隨機振動分析可知，擺掃機構的最大應力為30.07 MPa（3σ），最大變形為0.23 mm（3σ），滿足總體指標對變形和應力的要求。

在有減震器的狀態(tài)下，根據(jù)上述隨機振動輸入功率譜密度，分別將振動方向設置為Z 向和Y向。獲得機載振動環(huán)境下的擺掃機構的最大應力和最大變形結果如圖5所示。

圖5 有減震器時隨機振動分析結果

從擺掃機構隨機振動分析可知，擺掃機構的最大應力為62.35 MPa（3σ），最大變形為0.25 mm（3σ），滿足總體指標對變形和應力的要求。

3 結 論

本文設計了一款輕小型三線陣航攝儀擺掃機構，采用有限元方法分析了有無減震器時擺掃機構的結構力學特性。結果表明：擺掃機構的固有頻率能滿足使用需求，過載時擺掃機構最大應力滿足強度要求；機載振動環(huán)境下的擺掃機構的最大應力和最大變形滿足要求。