輕小型高精度機載穩定云臺設計與研究

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)

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

1 結構設計

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。機載云臺的三軸調節結構可靈活調節光譜儀重心。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節整機重心;橫滾軸組件與航向軸組件通過關節直驅電機進行轉動連接,配合結構硬限位及滑動連接,可實現橫滾軸臂單軸滑動調節和X軸方向重心調整;俯仰軸組件與橫滾軸組件通過關節直驅電機轉動連接,配合結構硬限位及滑動連接,可實現俯仰軸臂單軸滑動調節和Y軸方向重心調整;載荷安裝座實現光譜儀與俯仰軸的連接,同時載荷安裝座設計有滑動機構,可實現單軸滑動調節和Z軸方向重心調整。整個云臺通過在X軸、Y軸、Z軸3個方向的重心調節,可以實現云臺及載荷的重心與無人機重心的匹配,保障無人機飛行穩定[5-6]。

圖1 云臺整機系統示意圖

圖2 云臺總裝示意圖

1.2 減震組件設計

如圖3所示,減震組件由無人機轉接板、加高柱、減震座、航向軸安裝板、減震轉接板組成,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20千克級掛載、能夠隔離無人機的高頻振動對云臺穩定性的影響[7-9]。

圖3 減震組件示意圖

1.3 航向軸組件設計

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通過單向滑動調整載荷重心,調整到位后通過鎖緊塊將航向臂位置固定;航向臂為對開式內部鏤空減重結構,可保障足夠剛度和較小的質量;航向臂末端與橫滾電機定子固連,橫滾電機轉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置的結構硬限位可確保橫滾電機只能轉動一定的角度,防止過度轉動損壞載荷。

圖4 航向軸組件示意圖

1.4 橫滾軸組件設計

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單向滑動調整載荷Z軸方向重心,調整到位后通過鎖緊塊將橫滾臂位置固定。橫滾臂為對開式內部鏤空減重結構,可保障足夠剛度和較小的質量。橫滾臂末端與俯仰電機定子固連,俯仰電機轉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計的結構硬限位,可確保俯仰電機只能轉動一定角度,防止過度轉動損壞載荷。

圖5 橫滾軸組件示意圖

1.5 俯仰軸組件設計

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部鏤空結構,可保障足夠的結構剛性和較小的質量。俯仰臂在俯仰臂滑動座內通過單向移動來調整載荷Y軸方向重心,調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光譜儀Z軸方向重心調節,位置調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 靜力學仿真分析

2.1 航向軸靜力學分析

云臺結構件材質均為6061鋁合金,如圖8所示,為減少有限元計算量,光學載荷、俯仰軸、橫滾軸等零部件根據實際質量和質心位置在橫滾軸關節直驅電機端面上添加質量點,根據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、應力最大為31.28 MPa,變形量和應力均滿足材料許用要求及云臺功能要求[10-13]。

圖8 航向軸靜力學分析

2.2 橫滾軸靜力學分析

如圖9所示,為減小有限元計算量,光學載荷、俯仰軸等零部件根據實際質量和質心位置在俯仰軸關節直驅電機端面上添加質量點,根據實際掛載情況進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、應力最大為15.741 MPa,變形量和應力均滿足材料許用要求及云臺功能要求。

圖9 橫滾軸靜力學分析

2.3 俯仰軸靜力學分析

如圖10所示,為減小有限元計算量,光學載荷根據實際質量和質心位置在載荷安裝座端面上添加質量點,根據實際掛載情況進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、應力最大為29.069 MPa,變形量和應力均滿足材料許用要求及云臺功能要求。

圖10 俯仰軸靜力學分析

3 動力學仿真分析

3.1 俯仰軸動力學分析

如圖11所示,俯仰軸組件通過載荷安裝座連接光學遙感儀器(光譜儀),整個俯仰軸組通過載荷安裝座上下調節機構、俯仰臂左右調節機構將組件的質心與俯仰軸回轉中心重合。在三維軟件SolidWorks中對俯仰軸添加±30°位移驅動,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),仿真結果均在俯仰軸關節直驅電機的使用范圍內,滿足云臺使用要求。

圖11 俯仰軸帶負載示意圖

圖12 俯仰軸動力學分析

3.2 橫滾軸動力學分析

如圖13所示,俯仰軸組件、光學遙感儀器(光譜儀)、橫滾軸組件三者質心已通過橫滾臂調節機構調到與橫滾軸回轉中心重合。在三維軟件SolidWorks中對俯仰軸添加±30°位移驅動,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),仿真結果均在橫滾軸關節直驅電機的使用范圍內,滿足云臺使用要求。

圖13 橫滾軸帶負載示意圖

4 樣機組裝及掛飛

如圖15所示,經過設計、加工和組裝,云臺已與光學遙感儀器(光譜儀)、無人機實現了集成,并完成了室外掛飛試驗。光譜儀內部集成了陀螺儀,光譜儀與云臺末端的載荷安裝座固連,陀螺儀的姿態數據即是云臺末端的姿態。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,云臺根據陀螺儀記錄的姿態變化量控制俯仰軸和橫滾軸關節直驅電機動作、修正姿態,保證望遠鏡窗口盡量與地面平行,減少光譜儀在一個積分時間內成像的幾何畸變、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)內的擺動角度達到了0.015°(即穩定精度),滿足了光譜儀成像質量要求。

圖16 云臺姿態閉合控制示意圖

圖17 俯仰軸穩定精度

圖18 橫滾軸穩定精度

5 結束語

由文中的云臺結構方案設計、結構靜力學仿真、結構動力學仿真可知,云臺結構構型、材料選型及關節直驅電機均滿足云臺穩像功能要求。通過云臺樣機制造、組裝及外場試驗掛飛進一步驗證了云臺方案的合理性,穩定云臺成功消除了無人機本體振動和風載荷擾動對光學成像質量穩定性的影響。本文對輕小型、高精度機載穩定云臺進行的系統研究方法經實踐證明是合理可行的,可為同類型穩定云臺研制、迭代升級提供重要參考和借鑒。