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    文章发布于:2021-01-08 作者:admin 浏览次数:

      惯性测量单位(IMU)是两个或更多传感器(如陀螺、加速度计等)的总称,IMU是无人机测量飞行控制的核心数据源,测量精度直接影响飞行控制姿态算法的输出,因此影响飞机的整体控制水平。IMU减振设计困难。主要是设计变量多,无人机的振动环境复杂。振动分析是通过确认IMU原始数据来完成的。如果数据噪音波动范围不超过正、负0.15rad/s,则加速度不应该超过正、负3m/s2(不同大小无人机判别标准略有不同),这样才能提高无人机的飞行质量。否则,只有降低机体结构、IMU减振结构、机架振动水平,才能提高飞行性能。
     
      一、设计创意
     
      首先,为了减少振动和冲击对IMU的影响,通过材料选择和合理的结构设计,提高IMU的适应性,在IMU上安装减震器,隔离振动,可以有效地减少机体振动对IMU测量精度的影响。结构性减振方式可以总结为:
     
    无人机测量技术验证
     
      1、芯片选择、高精度下一代惯性测量单位选择(例如:MPU6050、BMI055)。上一代的飞行控制、加速度计:ADXL326陀螺仪:ADXRS620,气压计:MPXH  6115 ADC  3360 AD  7689(16位8通道)(WKM飞行控制)是单轴测量,因此设计了六面体以确保三轴垂直精度。
     
      2、减振材料可以选择硅胶、橡胶、硅橡胶、海绵、钢丝绳、空气阻尼器等,负载较大的直升机可以用钢丝绳减振,一般能达到5Hz以下。对于小型无人机,减振一般使用硅橡胶和海绵,通常频率为10-50Hz。
     
      3、减震结构的受力形式可分为三种。第一个是压缩,第二个是剪切。第三次拉伸;
     
      4、结构上需要的设计是安装IMU电路板的结构,坚固可靠的部件之间没有干涉。尽可能使芯片重心与IMU的重心在同一个点。
     
      5、要考虑IMU的配重设计。通过该船载安装结构,可以试验最佳船载重量。
     
      6、固定方法:结合粘合、机械连接、灵活连接、内部减振设计和外部减振设计。
     
      其次,结构设计主要是减振器设计指标包括减振频率范围、谐振频率、载荷、恢复精度、等刚度、高低温性能、环境适应性、寿命等。一般来说,减振频率由无人机震源决定,不同规模无人机的振动水平完全不同。以减振结构的强度及机体振动力学分析及实验验证为重点,结合飞行实测数据进行迭代优化。第三,力学分析方法是利用有限元法(FEA),通过ANSYS软件进行模态和瞬态力学分析,确定系统振动状态及振动特性。首先,简化减振结构模型,其次,设置个别材料特性。再次应用网格、约束和载荷。再次,求解得到前四次模态得共振频率和模式形状。最后,对模型进行瞬态动力学分析,分析模型力传递方法,定义位移约束面,应用等效正弦载荷激励,并提供网格后各方向中心位移曲线计算迭代设计优化的比较数据。
     
      4.一般IMU减震器的放置有两种。一个是上下对称布局。也就是说,下面的减震器受到压力,上面的减震器受到张力,但满足振动感结合条件,但角度振动与线振动不结合。由于橡胶材料减震器的剪切系数与弹性系数大不相同,因此减振系统与XYZ的刚度不相同,从而产生更多的谐振点。因此,应优化减振橡胶的外形和结构力,使其达到橡胶减震系统等刚度特性。另一种是在减震器倾斜处放置减震器,使减震器能够承受橡胶剪切力。减振系统仍然满足振动感耦合条件。
     
      当减振系统XYZ的三个方向发生位移运动时,减振橡胶的拉伸压力与剪切力的比例一致,该减振系统满足三向等刚度特性,不会产生过多的共振点。
     
      二、振动测试
     
      振动测试是对减振结构的初步验证,主要在振动台上进行。主要目的是分析减振结构设计振动数据,确认结构设计是否合理的两个方面。相反,将减振结构与现有减振结构的减振效果进行比较,以确定减振结构是否可用于装载测试。
     
      模拟无人机的典型振动范围。从低频振动到高频振动进行频率测试,确定减振效果较低的频率点。然后在频率点下进行固定频率测试,确认减振结构的稳定性和数据的可靠性。在无人机的一般频率点进行变幅测试,查看减振结构对不同振幅减振效果的影响。
     
    无人机测量应用技术
     
     
      三、安装测试
     
      在与相同无人机结构相邻的位置安装冲击吸收,在相同的安装条件下,基本两组设备位置的振动条件相同,在一般工作条件下测试飞机的振动,然后通过飞行控制收集数据。
     
      A、悬停条件:满载、半负荷、无负荷各悬停一段时间;
     
      B、运动条件:无人机在低、中、高速状态下分别保持一定的飞行时间。
     
      C,大姿势条件:无人机分别完成俯仰、滚转方向的大姿势,并多次击打杠杆。
     
      振动主要集中在加速度计的z轴和陀螺仪的xy轴上,因此需要分析无人机的振动特性。主要需要观察上面三个轴的输出值。主要针对为IMU设计的减震效果验证,验证方法总结如下:A,电(或伺服)的响应频率约为400Hz,角速度控制环最多为400Hz左右。一般无人机的带宽在30-40Hz左右,角速度的反馈数据最好在200-400Hz,因此采样频率和控制频率必须在200Hz以上。
     
      在一定的采样频率200Hz的条件下,可以通过飞行测试获得持续时间数据。判断加速度计的三轴振幅和角速度的振幅差异。
     
      B,通过飞行测试获取频域数据。另一方面,分析三轴数据的振动频率和各频率点的振动强度差异。相反,分析三轴角速度和加速度的频率差异。然后确定该频率的振动源位置和传导方法。
     
      四、软件过滤器
     
      收集IMU原始数据,确认波形是否平滑,如果波形有高频抖动,可以通过过滤器解决。滤波器设计原则,拦截频率低,动态响应速度,延迟时间最小化,例如,第二次巴特沃斯低通滤波器。特点:阶数低,数据量少。如果参数选择合理,则可以在不过度使用的情况下执行平滑的过滤器。需要注意的是,普通无人机低通滤波器范围在30 ~ 50之间,软件滤波器会导致延迟,所有问题不能依赖软件滤波器。要从根本上解决高频抖动问题,即机体结构和IMU的冲击。
     
      首先,分析不同阻塞频率下的时域特征及加速波动。阻塞频率选择与IMU原始数据的快速傅立叶变换相关,通过快速傅立叶变换可以获得每个频段的大小。其次,IMU原始数据决定引起高频信号干扰的频段,选择低于该频段的拦截频率,再次综合判断滤波效果。最后,分析不同频率段的振幅,综合判断IMU减振效果。在理想状态下,飞行控制减震效果的好坏,即IMU加速度计峰值,尽可能保持在0.15克以内,10Hz以内的低波段内没有大幅度频率。
     
      五、型号识别
     
      使用单通道激励和单通道收集方式进行模型识别数据收集。主要包括电机响应模型、滚道模型、俯仰通道模型、航向通道模型和垂直通道模型。完成激励措施及其数据后,设置与上述5种识别模型相对应的传输函数,并使用模型拟合,根据PID控制器闭环响应系统调整响应P、I、D响应参数。
     
      结论
     
      惯性测量单位是无人机飞行控制系统的核心部件,随着惯性测量单位的测量精度和功能的改善和迭代,减振系统的动态响应也是当前亟待解决的难题。一方面,通过结构上的减振力学设计。另一方面,通过软件过滤器的手段弥补减振结构的不足。


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