光電吊艙穩定平臺的設計與試驗

張海娜 趙 坤 蘇建華

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1 設計背景

光電吊艙穩定平臺技術已經日趨成熟,近些年得到了越來越廣泛的應用。光電吊艙穩定平臺實現的主要功能是通過穩定和控制技術,有效隔離無人機的振動,實現目標物的穩定圖像輸出和跟蹤[1-2]。筆者詳細介紹了一種兩軸兩框架光電吊艙穩定平臺的設計與試驗,主要包括穩定平臺結構組成、接口與伺服控制設計、回轉性能校核等。

對光電吊艙穩定平臺進行了多項試驗分析,滿足指標要求。

2 穩定平臺結構組成

光電吊艙穩定平臺主要包括機械結構組件、硬件及軟件、載荷、內部元器件,如圖1所示。穩定平臺采用兩軸兩框架結構形式,機械結構組件包括方位框架、俯仰框架、減振掛載組件[3-4]。硬件包括電源模塊、伺服控制板、存儲板、視頻跟蹤板、溫控裝置等。軟件包括伺服控制軟件、上位機軟件。光電吊艙內部搭載三種傳感器載荷,分別是可見光攝像機、中波制冷型熱像儀、激光測距機。其余內部重要元器件包括驅動電機、驅動器、測角編碼器、光纖陀螺儀,以及保證光電吊艙回轉性能的光電滑環等。

圖1 光電吊艙穩定平臺結構組成

3 電光吊艙主體框架

光電吊艙主體框架包括方位基座組件、方位俯仰支架、俯仰球組件三部分,兩軸兩框架光電吊艙整體結構如圖2所示。方位基座組件中的方位軸系帶動方位俯仰支架進行方位回轉運動。方位俯仰支架作為俯仰軸系和俯仰球組件的支撐框架,在方位直驅力矩電機驅動下,帶動俯仰部分跟隨方位軸完成回轉。方位軸系包括方位直驅力矩電機、方位編碼器、深溝球軸承、方位軸、方位滑環及其它連接件。方位電機與方位軸相連,方位軸上布置有兩個深溝球軸承,起到回轉支撐的作用。方位編碼器通過轉接軸與方位軸相連。方位滑環實現方位基座組件與俯仰組件之間的設備電氣連接,保證方位可以360°連續旋轉。俯仰軸系包含俯仰直驅力矩電機端組件和俯仰編碼器端組件,分別安裝在方位俯仰支架的兩側,與中間的俯仰球組件連成一體。在俯仰電機驅動下,俯仰組件完成回轉運動。光電吊艙軸系連接結構如圖3所示。

圖2 兩軸兩框架光電吊艙整體結構

圖3 光電吊艙軸系連接結構

俯仰電機端模塊包含俯仰電機、深溝球軸承、俯仰電機軸和一些其它連接零件,俯仰編碼器端模塊包含俯仰編碼器、深溝球軸承、俯仰編碼器軸和一些其它連接零件。俯仰球組件主要有俯仰球主支撐架、俯仰前球殼、俯仰后球殼、俯仰下球殼和位于球內部的俯仰內框架組件。俯仰球主支撐架包括上球殼和左右側板。俯仰前球殼上裝有各載荷視場玻璃,俯仰后球殼上裝有干燥劑模塊,俯仰下球殼上設有通用串行總線對外接口。光電吊艙俯仰球組件結構如圖4所示。俯仰球主支撐架上裝有兩個電源模塊,除這兩個電源模塊外,其余組件全部置于球體內部的俯仰內框架上。在裝配時,先將俯仰內框架上的所有部件安裝完成,作為一個整體插入裝有電源模塊的俯仰球主支撐架上。位于球體內部的俯仰內框架組件主要包含光電載荷、光纖陀螺、電源板、電源轉換模塊、方位電機驅動器、伺服控制模塊、紅外視頻存儲板、溫控裝置、干燥模塊、溫度采集模塊和其它安裝連接件等。光電載荷包括紅外、攝像機、激光器。光電吊艙俯仰內框架組件結構如圖5所示。光電吊艙基座與基座蓋板之間、方位俯仰支架與支架側蓋之間、俯仰球殼與俯仰球主支撐架之間,以及其它任意兩個結構件的接合平面都設置有安裝密封條的密封槽,通過螺釘連接方式壓緊密封條,并采用帶有密封保護的軸承,保證光電吊艙內部的密封性能。方位回轉使用光電滑環,方位組件可以360°旋轉。

圖4 光電吊艙俯仰球組件結構

圖5 光電吊艙俯仰內框架組件結構

無人機的振動對光電吊艙的成像質量具有很大的影響,隔振結構能夠有效隔離無人機的抖動,使光電吊艙內部載荷更穩定[5-6]。光電吊艙設計為兩級減振的形式。第一級減振選用三維等剛度隔振器,主要隔離垂向的振動干擾。第二級減振采用鋼絲繩減振系統,主要隔離橫向的振動干擾。光電吊艙掛載兩級減振如圖6所示。這一減振結構經過振動試驗驗證,隔離振動效果良好。

圖6 光電吊艙掛載兩級減振

4 接口與伺服控制設計

光電吊艙設計了電源接口和通信接口。無人機對光電吊艙進行供電,通信接口用于接收地面控制單元對光電吊艙的控制指令,并返回光電吊艙的工作狀態信息。通信接口可在光電吊艙斷電狀態下讀取可見光和紅外存儲視頻數據。光電吊艙內部供電考慮電源信號的電磁屏蔽,外部電源在接入電源模塊之前需要先經過濾波器,輸出的電源主要為方位與俯仰驅動器供電。電源模塊還為伺服控制板和電源轉換板供電,伺服控制板為可見光攝像機、視頻跟蹤板、方位與俯仰編碼器、主控供電。光電吊艙伺服控制板可以完成伺服控制軟件的功能自檢及外部設備的上電自檢,接收外部控制指令,完成光電吊艙不同工作狀態的設置。

系統軟件設計主要包括伺服控制模塊、信號采集模塊、通信模塊軟件設計[7-8]。伺服控制模塊作為系統的主控制器,完成整個系統的控制和管理。信號采集模塊采集陀螺角速度信息、角加速度信息、編碼器角度位置信息。通信模塊完成接收外部控制指令、回傳狀態信息、設置可見光攝像機和紅外相機工作模式等工作。

5 光軸平行度調校與穩定精度測試

光電吊艙中的可見光攝像機、中波制冷型熱像儀、激光測距機間光軸平行性的標定與測量是光電吊艙設備調校與測試的重要環節[9-10]。在對光學載荷裝配結構進行設計時,設計了對光學載荷安裝位置的微調結構。在完成裝配后,進行光軸平行性測量,以可見光攝像機視場中心基準測量激光測距機與可見光攝像機的光軸平行度,中波制冷型熱像儀與激光測距機的光軸平行度測量步驟類似。布置光電吊艙、反光鏡、激光顯色靶紙,在焦距下將光電吊艙圖像中心對準靶紙十字標。打開激光測距機,在靶紙上記錄光斑中心位置,測量光斑中心與靶紙十字標中心的相對位置偏移量,計算光軸平行度誤差。

結合工程實際,利用六自由度搖擺臺為光電吊艙穩定平臺施加幅值為2°,頻率為1 Hz的正弦激勵信號,測試穩定平臺的穩定精度。測試結果表明,穩定平臺的穩定精度符合設計要求。

6 振動試驗

振動試驗譜圖如圖7所示,g為重力加速度[11]。振動試驗時間為X向、Y向、Z向各20 min。試驗時,試驗件安裝在專用夾具上,夾具剛性固定在振動臺擴展臺面或水平滑臺臺面上,前者對應Z向,后者對應X向、Y向。試驗采用兩點平均控制方式進行,兩個控制點均位于夾具上,在試驗件表面設置一個測量點。光電吊艙安裝狀態如圖8所示。

圖7 振動試驗圖譜

圖8 光電吊艙安裝狀態

以垂向為例,振動試驗前,根據振動試驗圖譜,將控制曲線輸入振動試驗臺控制軟件,形成的振動試驗曲線如圖9所示。由曲線數據可以看出,施加的振動量經過減振裝置后,位于測量點的輸出振動量有明顯衰減,減振裝置隔振效果明顯。

圖9 振動試驗曲線

7 電磁兼容試驗

依據標準GJB 151B—2013《軍用設備和分系統 電磁發射和敏感度要求與測量》的相關規定,對光電吊艙進行CE102電源線傳導發射試驗和CS101電源線傳導敏感度試驗[12]。

7.1 CE102電源線傳導發射試驗

光電吊艙按照標準進行安裝、布置,在典型工作狀態下預熱達到穩定后開始試驗。試驗輸出曲線如圖10所示。由圖10可以看出,電源線中性線、相線的傳導發射均在限值以下,光電吊艙滿足CE102 10 kHz～10 MHz電源線傳導發射試驗的指標要求。

圖10 電源線傳導發射試驗輸出曲線

7.2 CS101電源線傳導敏感度試驗

光電吊艙按照標準進行安裝、布置,在典型工作狀態下預熱達到穩定后開始試驗。根據限值126 dBμV進行注入,試驗過程中對光電吊艙的工作狀態進行觀測。在試驗過程中及試驗后,未出現異常狀態,光電吊艙均能正常運行。電源線傳導敏感度試驗曲線如圖11所示,試驗現場如圖12所示。

圖11 電源線傳導敏感度試驗曲線

圖12 電源線傳導敏感度試驗現場

8 結束語

針對無人機遠距離目標監測任務需求,設計了一種光電吊艙穩定平臺。光電吊艙通過伺服系統控制,實現對目標區域的視頻穩定成像、存儲、測距等功能。光電吊艙穩定平臺通過光軸平行性測試、穩定精度測試、振動試驗、電磁兼容試驗,均滿足設計要求。光電吊艙已經得到實際工程應用,為類似穩定平臺的設計提供了參考。