多旋翼無人機增穩云臺的優化設計*

毛書斌 李 寧 王 澈 凌晨偉 程 帥 栗浩齊

臺州學院 智能制造學院 浙江臺州 318000

1 優化設計背景

隨著技術的發展,多旋翼無人機逐漸出現在各個行業領域,但其飛行時容易受到環境干擾,且自身存在振動。無人機成像的清晰度在很大程度上決定了無人機的應用范圍,因此在無人機機身下方通常會有一種搭載拍攝裝置的增穩云臺。增穩云臺與拍攝裝置的結合掀起了低成本航拍熱潮[1]。

現階段,技術人員以提高增穩云臺穩定性、克服擾動、維持視軸穩定為出發點,圍繞優化結構、精確控制、算法改進等方面進行了大量的研究[2-9]。但是總體而言,增穩云臺系統適配性較差。一般每個機型的無人機都配置了專門的增穩云臺,很少有能夠兼容大多數無人機的增穩云臺結構,且由于氣象、旋翼臂上電機等外界因素,增穩云臺拍攝受到干擾而易發生抖動。增穩云臺結構的合理性是決定增穩云臺通用性與穩定性的主要因素之一。減振球數量、分布位置及減振板外形等的合理性決定了增穩云臺結構的合理性。

筆者在對現有增穩云臺典型結構分析的基礎上,通過改變減振球數量、分布位置和減振板外形,設計得到一種多旋翼無人機增穩云臺結構。在進行仿真分析時,考慮增穩云臺的材料特性,在ANSYS軟件中進行減振板、減振球、連接柱的結構建模。將三軸陀螺儀部分的質量、轉動慣量以質點的形式加載在減振板上,對增穩云臺進行靜力學及預應力模態分析,驗證所設計的增穩云臺能滿足無人機的工作要求。

2 優化設計過程

增穩云臺減振球數量、位置分布和減振板外形等影響著整體的減振效果。對現有典型的兩種增穩云臺結構——繞中心均勻圓周分布增穩云臺、圓周沿邊分布增穩云臺在ANSYS軟件中進行仿真分析[10-11]。為了具有可比性,兩種結構的上下減振板材料、減振球材料、連接柱材料保持一致,只通過改變減振球數量、分布位置和減振板外形來分析比較。

運用ANSYS軟件的靜力學模塊進行仿真分析,兩種結構增穩云臺在相同載荷和約束條件下仿真得到的總變形和總等效應力結果分別如圖1、圖2所示。

圖1 典型結構增穩云臺總變形結果

圖2 典型結構增穩云臺總等效應力結果

兩種結構最大變形都位于無刷電機與上減振板連接處,繞中心均勻圓周分布增穩云臺的最大變形量為0.036 51 mm,圓周沿邊分布增穩云臺的最大變形量為0.079 49 mm。兩者的變形量都較小,繞中心均勻圓周分布增穩云臺優于圓周沿邊分布增穩云臺。相較于圓周沿邊分布增穩云臺,繞中心均勻圓周分布增穩云臺減振球位置分布及上下減振板外形更優。

等效應力的大小影響著工作構件的強度和使用壽命。圓周沿邊分布增穩云臺的最大等效應力為36.275 MPa,繞中心均勻圓周分布增穩云臺的最大等效應力為31.927 MPa。綜上所述,繞中心均勻圓周分布增穩云臺的分析結果更優。

在參考典型結構的基礎上,設計了一種多旋翼無人機增穩云臺,在減小結構質量的同時,增加減振球,以更好地減小邊緣應力。在四個角上分別設置三個減振球孔位,在中間挖除一部分減振板,然后插入八根鋁合金柱,用于機體和下減振板的連接。增穩云臺增穩部分裝配體如圖3所示,增穩云臺總變形和總等效應力分析結果分別如圖4、圖5所示。分析結果顯示,總變形和總等效應力小于兩種典型結構,最大變形量為0.035 732 mm,最大等效應力為33.701 MPa,產生在上減振板與無刷電機連接處,遠小于碳纖維的拉伸強度。

圖3 增穩云臺增穩部分裝配體

圖4 增穩云臺總變形分析結果

圖5 增穩云臺總等效應力分析結果

3 增穩云臺建模

3.1 上下減振板結構

復合材料指至少由兩種不同成分構成,特性相互補充的新型材料。復合材料熱穩定性好,比強度、比剛度高,如今已普遍應用于船舶船體運動配件、汽車運動部件、飛機機翼和前機身、大型運載火箭殼體等多個領域。選擇碳纖維環氧樹脂復合材料作為上下減振板的材質。碳纖維和樹脂基體復合,不僅保持了玻璃鋼的優良特性,而且強度和彈性模量均超過普通合金,因此成為比強度與比模量最高的復合材料之一。

對復合材料幾何模型的結構分析與傳統的靜力學結構分析步驟有所不同。傳統材料的結構分析,可以利用其它三維軟件建模生成產品模型數據交換標準文件,直接導入靜力學模塊進行分析求解。復合材料的幾何模型則需要在復合材料前處理模塊中先構建平面草圖,由草圖生成實體幾何平面,然后進入模型環境對設計的模型進行網格劃分,通過鋪層設置來最終形成實體復合板材,具體步驟如下。

(1) 添加材料。選用編織型碳纖維材料作為復合材料的增強材料,添加環氧樹脂材料,作為之后生成實體模型時采用的基體材料。

(2) 構建平面幾何實體。在建模環境中繪制出設計的草圖形狀,草圖繪制完成后從概念菜單中選擇從草圖生成平面選項來生成幾何平面。

(3) 網格劃分。在組網細節框中設置網格大小,查看網格劃分質量中的網格質量檢查選項,其平均值為0.86,大于0.7,偏度最大值為0.776,滿足網格劃分要求。減振板網格劃分如圖6所示。

圖6 減振板網格劃分

(4) 鋪層設置。對鋪層纖維材料屬性與鋪層厚度進行設置,常用的碳纖維布為0.111 mm和0.167 mm兩種厚度,設置鋪層厚度為0.167 mm。創建三個碳纖維疊層,分別設置角度為-90°、0°、90°。在坐標系統中定義纖維方向平行,在建模層級中建立復合材料鋪層的層級。上下減振板平面模型的鋪層數量均設置為9,鋪層角度按-90°、0°、90°順序循環。鋪層角度效果顯示如圖7所示。

圖7 鋪層角度效果顯示

(5) 對鋪層生成實體模型。選取環氧樹脂為復合材料的基體材料,來生成鋪層實體模型,如圖8所示。

圖8 鋪層實體模型

3.2 減振球及連接柱

減振球將動能轉換為內能,因此可以降低無人機機體傳遞至增穩云臺的振動。針對以往將橡膠球剛體化的問題,在研究中選用橡膠材質的減振球進行仿真。橡膠材料是一種典型的超彈性材料,由于特殊的物理化學性能及與金屬材料相比所固有的大變形特性,使選用橡膠材料成為一個高度復雜的非線性研究問題。

在進行超彈體模型研究時,常見的模型有Neo-Hookean模型、Arruda-Boyce模型、穆尼-里夫林模型等。近年來的相關研究表明,當所研究的橡膠材料產生的變形較小時,一般采用穆尼-里夫林模型[12-13],表達式為:

(1)

其中,邵氏硬度HA為40時橡膠材料參數見表1。

表1 邵氏硬度HA為40時橡膠材料參數

利用ANSYS軟件中的機械模型模塊對減振球進行實體建模。根據所涉及的增穩云臺實時工況預測,實體建模時選用穆尼-里夫林模型,所設計的減振球幾何草圖如圖9所示。

圖9 減振球幾何草圖

鋁合金具有良好的力學性能和較低的密度,廣泛應用于航空航天領域,是飛機制造的主要材料。選擇鋁合金材質來制作連接柱。進入設計建模模塊進行環境建模,減振球與連接柱的模型如圖10所示。

圖10 減振球與連接柱模型

3.3 三軸陀螺儀結構

運用SolidWorks軟件對三軸陀螺儀進行建模和裝配。三軸陀螺儀主要由三個無刷電機、四個連接軸臂、兩個托盤軸、一個托盤、一個鏡頭板組成,將所涉及的總體裝配結構尺寸控制在250 mm×250 mm×250 mm以內。假設所有結構的質量密度分布均勻,然后利用SolidWorks軟件的質量屬性模塊對三軸陀螺儀主要部件的質量進行計算測量,具體數據見表2。

表2 三軸陀螺儀主要部件質量 g

3.4 增穩云臺模型裝配

由于增穩云臺裝配體中含有復合材料模型,因此裝配過程和傳統裝配方式有所不同,無法在模型模塊中調取復合材料模型,而是需要在最初構建平面模型時就定義坐標平面的位置,使三部分實體模型在導入靜力學模塊時能保證配合,并且不發生干涉。增穩云臺實體裝配結果如圖11所示。

圖11 增穩云臺實體裝配結果

4 靜力學分析

對增穩云臺進行靜力學分析,并利用靜力學分析結果進行預應力模態分析,通過固有頻率和電機激振頻率對比,來驗證結構是否會發生共振。

4.1 網格劃分

減振球為不規則幾何實體,采用多域法進行網格劃分。設置映射類型為六面體,掃掠單元的尺寸為2 mm。對八根連接柱采用掃掠法進行網格劃分,定義兩個端面分別為源面和目標面。最終完成整個增穩云臺網格劃分,網格節點數為386 955,單元數為247 158。增穩云臺網格劃分如圖12所示。

圖12 增穩云臺網格劃分

4.2 接觸設置

定義減振板為目標接觸面,減振球所在面為接觸面,默認接觸為綁定接觸。連接柱與上下減振板定義為對稱接觸,并且保證接觸面無相互穿透。

4.3 約束和載荷設置

上減振板與無刷電機直接相連,承載了下方增穩云臺和相機的總質量。設置載荷時,以質點的形式將質量加載在上減振板處,設定質量為0.831 kg。同時輸入三個坐標軸上的轉動慣量,來模擬三軸陀螺儀懸掛在增穩云臺下方時的工作狀態。對連接柱的上端面進行固定約束,并對增穩云臺施加慣性載荷,設定重力加速度為9.806 65 m/s2,并設置方向為豎直向下。約束和載荷設置結果如圖13所示。

圖13 約束和載荷設置結果

4.4 分析結果

增穩云臺的靜力學分析結果和上下減振板的等效應力分析結果分別如圖14、圖15所示。最大變形發生在無刷電機與上減振板的連接處,最大變形量僅為0.069 316 mm,數值較小,減振板剛度滿足要求。

圖14 增穩云臺靜力學分析結果

圖15 減振板等效應力分析結果

上減振板的最大等效應力發生在與無刷電機的連接處,該區域承擔著三軸陀螺儀和相機的總質量,最大等效應力為48.807 MPa,遠小于碳纖維復合板材的抗拉強度。

下減振板的最大等效應力發生在與連接柱的連接處,該區域承擔著增穩云臺的總質量,最大等效應力為0.499 78 MPa。查閱資料得常見的防銹鋁合金抗拉強度為265 MPa,因此滿足強度要求。

5 模態分析

5.1 激振頻率

多旋翼無人機在工作時,六個旋翼臂上的電機和槳葉轉動產生的周期性振動會通過連接柱傳遞至增穩云臺,這是多旋翼無人機工作時的主要振動來源,從而影響增穩云臺搭載的光電設備成像效果。

多旋翼無人機的激振頻率主要來源于驅動槳葉的無刷電機。所用的電機為KV390無刷電機,當電機在22.2 V電壓下工作時,能提供8 658 r/min的轉速,即144.3 r/s。根據電機激振頻率計算式,可以得出激振頻率為288.6 Hz。

5.2 模態求解結果

在ANSYS Workbench軟件中共享幾何模型和求解結果,將求解階數設置為10。增穩云臺前十階固有頻率見表3。前述激振頻率處于8階和9階模態頻率之間,且均沒有接近固有頻率,因此可以看出增穩云臺結構連接在帶有KV390無刷電機的六旋翼無人機時,不會發生劇烈共振。

表3 增穩云臺前十階固有頻率

6 結束語

筆者主要對減振球數量、分布位置和減振板外形等進行優化設計,從而得到能夠兼容大多數無人機的多旋翼無人機增穩云臺。利用ANSYS軟件復合材料模塊進行碳纖維環氧樹脂復合板材建模,針對以往將減振球剛體化的問題,在研究中對減振球采用穆尼-里夫林超彈模型進行仿真,以提高仿真結果的真實性。同時將三軸陀螺儀部分的質量、轉動慣量以質點形式加載在減振板上,通過靜力學、模態分析驗證所設計的增穩云臺能夠滿足多旋翼無人機的工作要求。