無人機載荷雷達振動測試及減振設(shè)計

于長帥,駱海濤,劉廣明

(中國科學(xué)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(guī)避、化學(xué)和生物戰(zhàn)劑探測和水下目標(biāo)探測等軍事領(lǐng)域方面已進入實用階段, 由于受到飛機飛行產(chǎn)生的振動和氣流波動的影響,使成像容易產(chǎn)生模糊現(xiàn)象, 甚至損壞激光雷達。為了克服該現(xiàn)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(jīng)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(yīng)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(yīng); 將該T型減振器應(yīng)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(yīng)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(xiàn)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(guān)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(biāo)識碼:A

        激光雷達技術(shù)從最簡單的激光測距技術(shù)開始,逐步發(fā)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(shù),進而研發(fā)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(shù)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(shù)據(jù); 目前, 激光雷達在低空飛行直升機障礙物規(guī)避、化學(xué)和

生物戰(zhàn)劑探測和水下目標(biāo)探測等軍事領(lǐng)域方面已進入實用階段,其它應(yīng)用研究亦日趨成熟,使得激光雷達的商用價值也日益顯現(xiàn)出來[1]。

        機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中獲得準確的動態(tài)特性參數(shù)是十分重要的,由于機器人本體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,傳動關(guān)節(jié)多和機電耦合等動態(tài)性能參數(shù)影響,在實際研究中很難對機器人系統(tǒng)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(tài)特性的參數(shù),這 就可以了解機器人本體的動態(tài)性能、參數(shù)識別,為機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了重要的技術(shù)手段[2] , 下圖為UR機械臂某種姿態(tài)下進行模態(tài)測試的模態(tài)振型。

a)  自動駕駛車輛

b) 無人機電力巡檢

圖 1 激光雷達應(yīng)用

圖 2 UR 機械臂某姿態(tài)模態(tài)測試

        無人機機載環(huán)境惡劣, 尤其是機載的振動對成像系統(tǒng)的影響尤為嚴重,為提高光電平臺光學(xué)載荷成像系統(tǒng)的成像品質(zhì)和穩(wěn)定精度, 必須對載體的振動加以隔離和抑制[3]。對于復(fù)雜系統(tǒng),傳遞路徑分析技術(shù) (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(tǒng)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(jié)構(gòu)簡單、可靠性高, 不需要系統(tǒng)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(shù)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(shù)據(jù)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(yīng)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(yīng)

b) 測點 1 三軸 PSD 響應(yīng)

圖 4 雷達安裝處測點振動響應(yīng)情況

已知雷達系統(tǒng)的振動響應(yīng)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(nèi), 均方根值不大于3g。雷達安裝點響應(yīng)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(shè)計

        針對雷達安裝處振動響應(yīng)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(shè)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(shè)激振源位移為 ,通過推導(dǎo)以,為縱坐標(biāo), 可以做出不同阻尼系數(shù)情況下的幅頻響應(yīng)曲線, 如下圖所示。 

圖 7  不同頻率比對應(yīng)的幅值比

        從圖 7中可以看出, 不論阻尼大小,只有當(dāng)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(shè)計的很柔軟,靜撓度要很大,相應(yīng)的體積要很大,并且裝置的穩(wěn)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(shè)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(yīng)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(xù)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(dāng) λ<√2 , 阻尼的增加能減小傳遞率值, 特別是在共振區(qū)域(λ=0.8 ~ 1.2 ) 內(nèi)作用更明顯 。 當(dāng) 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(chǎn)實踐中,常會遇到一些不規(guī)則的外界沖擊和擾動, 為避免彈性支撐的物體產(chǎn)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(dāng)隔振對象在起動及停止過程中需經(jīng)過共振區(qū)時, 阻尼的作用就更為重要。

2. 2 減振設(shè)計思路

        無人機載荷機構(gòu)減振設(shè)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(tài)真實載荷加速度響應(yīng)測試,無人機工作結(jié)束后, 檢查載荷性能。

圖 8 減振設(shè)計流程

2. 3 振動試驗

        無人機雷達系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(yīng)結(jié)果與振動輸入對比結(jié)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(yīng)情況

2. 4 無人機裝載減振器的雷達系統(tǒng)響應(yīng)測試

        現(xiàn)將掛有T型減振器方案的雷達系統(tǒng)模擬載荷裝載到無人機上,對無人機工作狀態(tài)下雷達測點響應(yīng)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(yīng)和PSD響應(yīng)曲線如下圖所示。

a) 測點 1 三軸時域響應(yīng)

b) 測點 1 三軸 PSD 響應(yīng)

圖 10 無人機空中飛行階段模擬雷達測點響應(yīng)

         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(yīng)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(jié)

        無人機不采用減振措施, 載荷安裝點響應(yīng)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(yīng)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(wǎng),  專家解讀無人機:近 10  年激光雷達的應(yīng)用商機[DB/OL], http://www.sohu.com/a/149137401一350244.

[2] 李柳林. 機器人樣機設(shè)計制造及振動測試[D]. 廣西大學(xué), 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(xué)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(shù)[M]. 上?？茖W(xué)技術(shù)文獻出版社, 1986.