無人機載荷雷達振動測試及減振設計
于長帥,駱海濤,劉廣明
(中國科學院沈陽自動化研究所,沈陽 110016)
摘 要:激光雷達在低空飛行無人機障礙物規避、化學和生物戰劑探測和水下目標探測等軍事領域方面已進入實用階段, 由于受到飛機飛行產生的振動和氣流波動的影響,使成像容易產生模糊現象, 甚至損壞激光雷達。為了克服該現象,本文首先對無人機在空中飛行工況下,對激光雷達在無人機安裝位置進行振動測試,經測試和分析如果不做減振措施, 激光雷達有可能工作異常甚至損壞; 將激光雷達安裝位置處加速度響應作為振動臺的輸入條件,加工激光雷達模擬載荷, 選擇T型減振器的減振措施, 用振動臺輸入條件下測試載荷的響應; 將該T型減振器應用到無人機上,在無人機飛行工況下,測試無人機激光雷達模擬載荷響 應情況;通過振動試驗和無人機飛行工況下測試,最終驗證了T型減振器的減振效果, 該減振方法對實現無人機將激光雷達測量與攝影無縫融合具有重要的意義。
關鍵詞:無人機 激光雷達 振動測試 T型減振器
中圖分類號:TK417+.127 文獻標識碼:A
激光雷達技術從最簡單的激光測距技術開始,逐步發展了激光跟蹤、激光測速、激光掃描成像、激光多普 勒成像等技術,進而研發出不同用途的激光雷達。3D激光雷達是無人駕駛的核心技術之一, 3D激光雷達可實時 獲得高精度的三維地圖, 用來作為自動駕駛的底層數據; 目前, 激光雷達在低空飛行直升機障礙物規避、化學和
生物戰劑探測和水下目標探測等軍事領域方面已進入實用階段,其它應用研究亦日趨成熟,使得激光雷達的商用價值也日益顯現出來[1]。
機器人本體結構設計過程中獲得準確的動態特性參數是十分重要的,由于機器人本體結構復雜,傳動關節多和機電耦合等動態性能參數影響,在實際研究中很難對機器人系統進行準確的理論建模,通過實驗測試的分析方法可獲得準確的機器人本體實際動態特性的參數,這 就可以了解機器人本體的動態性能、參數識別,為機器人控制系統的設計提供了重要的技術手段[2] , 下圖為UR機械臂某種姿態下進行模態測試的模態振型。
a) 自動駕駛車輛
b) 無人機電力巡檢
圖 1 激光雷達應用
圖 2 UR 機械臂某姿態模態測試
無人機機載環境惡劣, 尤其是機載的振動對成像系統的影響尤為嚴重,為提高光電平臺光學載荷成像系統的成像品質和穩定精度, 必須對載體的振動加以隔離和抑制[3]。對于復雜系統,傳遞路徑分析技術 (transfer path analysis 簡稱 TPA) [4]基于試驗測試,用于解決振動源-傳遞路徑-接受體系統的振動問題,是一種非常有效的方法; 橡膠隔振器被動隔振措施結構簡單、可靠性高, 不需要系統外能量輸入,常被用來做減振隔振的材料[5]。
1 載荷雷達振動測試
1. 1 振動測試
利用本部門的BK3660D數采前端和BK4524B加速度傳感器進行載荷雷達安裝位置處的振動測試,在無人機激光雷達安裝機架位置布置加速度傳感器, 如下圖所示。
圖 3 振動測試
1. 2 數據處理與分析
運行無人機,使無人機在空中飛行,測試雷達安裝 點的時域響應曲線和功率譜密度曲線如下圖所示。
a) 測點 1 三軸時域響應
b) 測點 1 三軸 PSD 響應
圖 4 雷達安裝處測點振動響應情況
已知雷達系統的振動響應許用要求為: 沖擊加速度幅值不大于40g; 隨機振動在頻率5Hz-2000Hz范圍內, 均方根值不大于3g。雷達安裝點響應接近40g , 雷達安裝點的三個軸向的PSD均方根值均超過3g , 如果不做減振措 施, 雷達安裝到無人機,很有可能損壞。
2 減振設計
針對雷達安裝處振動響應過大,本文選用某單位研 制的T型減振器對無人機與雷達之間隔振處理,如下圖所示。
圖 5 T 型減振器隔振處理
T型減振器及安裝位置的剖視圖如下圖所示, T型減振器可在三個方向起到減振的作用。
a) T 安裝位置剖視 b)實物圖
圖 5 T 型減振器
2. 1 減振原理
采用減振器對無人機載荷進行減振設計,原則上, 該方式是一個非常有效的減少無人機支架對載荷振動的方式,通過對載荷與無人機支架之間振動的傳遞分析可知,可簡化“載荷支撐激勵引起的強迫振動”, 如下圖所示。
圖 6 載荷支撐激勵引起的強迫振動
其微分方程為:
（1）
即為
（2）
設激振源位移為
,通過推導以
,
為縱坐標, 可以做出不同阻尼系數情況下的幅頻響應曲線, 如下圖所示。
圖 7 不同頻率比對應的幅值比
從圖 7中可以看出, 不論阻尼大小,只有當頻率比λ=√2時, 才有隔振效果;但λ也不宜過大,因為λ大意味著隔振器要設計的很柔軟,靜撓度要很大,相應的體積要很大,并且裝置的穩定性也差, 容易搖晃, 另一方面λ> 5后,傳遞率的變化并不明顯,這表明即使將彈簧支撐設計的更軟,也不能顯著改善隔振效果, 一般實際采用的頻率比常在2.5-4.5 之間,相應的隔振效率為 80%-90%[6]。
由于阻尼的存在,傳遞率隨頻率的變化是連續的, 且不論阻尼比的大小如何, 所有的傳遞率曲線均在λ=√2處相交。當 λ<√2 , 阻尼的增加能減小傳遞率值, 特別是在共振區域(λ=0.8 ~ 1.2 ) 內作用更明顯 。 當 λ>√2時, 阻尼增加,傳遞率的值反而也增加。因此如單純從隔振觀點來看,阻尼增加會降低隔振效果, 但在生產實踐中,常會遇到一些不規則的外界沖擊和擾動, 為避免彈性支撐的物體產生大幅度的自由振動,常人為地增加一些阻尼以抑制其振幅, 且可使自由振動很快地消失,特別是當隔振對象在起動及停止過程中需經過共振區時, 阻尼的作用就更為重要。
2. 2 減振設計思路
無人機載荷機構減振設計流程, 如下圖8所示。具體步驟如下所述:上文中得到的載荷加速度輸入作為振動臺的輸入條件,加工載荷模擬件和振動臺工裝,用振動臺振動試驗驗證減振措施的減振效果;選擇具有減振效果的減振器,將真實載荷裝到無人機上,進行無人機工作狀態真實載荷加速度響應測試,無人機工作結束后, 檢查載荷性能。
圖 8 減振設計流程
2. 3 振動試驗
無人機雷達系統模擬載荷選擇具有減振效果T型減振器,對無人機雷達系統模擬載荷進行振動試驗如下圖 9 所示。
圖 9 無人機云雷達系統模擬載荷振動試驗
三個軸向隨機振動試驗,雷達測點的響應結果與振動輸入對比結果, 如下表1所示。
表 1 無人機雷達測點振動試驗加速度響應情況
X 向總均 方根值/g | Y 向總均 方根值/g | Z 向總均 方根值/g | |
振動輸入 | 6.665 | 4.508 | 5.469 |
雷達測點 (減振后) | 0.53 | 0.89 | 2.58 |
2. 4 無人機裝載減振器的雷達系統響應測試
現將掛有T型減振器方案的雷達系統模擬載荷裝載到無人機上,對無人機工作狀態下雷達測點響應進行測試,如下圖所示。
圖 10 無人機測試
雷達載荷測點的時域響應和PSD響應曲線如下圖所示。
a) 測點 1 三軸時域響應
b) 測點 1 三軸 PSD 響應
圖 10 無人機空中飛行階段模擬雷達測點響應
可以看出雷達載荷采用減振方案后,模擬雷達時域最大響應不到5g(小于 40g) , PSD均方根值最大0.82g (小于3g), 說明雷達減振措施是有效的。
3 小結
無人機不采用減振措施, 載荷安裝點響應接近40g, 載荷安裝點的PSD均方根值均超過3g, 如果不做減振措施, 載荷安裝到無人機,很有可能損壞。雷達載荷采用減振方案后,雷達時域最大響應不到5g(小于50g), PSD均方根值最大0.82g(小于3g), 說明本文的減振方法是是有效的。
參考文獻:
[1] 宇辰網, 專家解讀無人機:近 10 年激光雷達的應用商機[DB/OL], http://www.sohu.com/a/149137401一350244.
[2] 李柳林. 機器人樣機設計制造及振動測試[D]. 廣西大學, 2012.
[3] Hadden S, Davis T, Buchele P, et al. Heavy load vibration isolation system for airborne payloads[J]. 2001, 4332:171-182.
[4] wyckaert K, van L L. Operational Analysis, Transfer Path Analysis, Modal Analysis-Tools to understand Road Noise Problems in cars-[J]. 臺灣振動與噪聲工程學會論文, 1995, 50:131-136.
[5] Johnson c, wilke P. The whole-spacecraft vibration isolation system - Its time has come[c]// Space Technology conference and Exposition. 2013.
[6] 嚴濟寬. 機械振動隔離技術[M]. 上?？茖W技術文獻出版社, 1986.
