多旋翼无人机增稳云台的优化设计*

毛书斌 李 宁 王 澈 凌晨伟 程 帅 栗浩齐

台州学院 智能制造学院 浙江台州 318000

1 优化设计背景

随着技术的发展,多旋翼无人机逐渐出现在各个行业领域,但其飞行时容易受到环境干扰,且自身存在振动。无人机成像的清晰度在很大程度上决定了无人机的应用范围,因此在无人机机身下方通常会有一种搭载拍摄装置的增稳云台。增稳云台与拍摄装置的结合掀起了低成本航拍热潮[1]。

现阶段,技术人员以提高增稳云台稳定性、克服扰动、维持视轴稳定为出发点,围绕优化结构、精确控制、算法改进等方面进行了大量的研究[2-9]。但是总体而言,增稳云台系统适配性较差。一般每个机型的无人机都配置了专门的增稳云台,很少有能够兼容大多数无人机的增稳云台结构,且由于气象、旋翼臂上电机等外界因素,增稳云台拍摄受到干扰而易发生抖动。增稳云台结构的合理性是决定增稳云台通用性与稳定性的主要因素之一。减振球数量、分布位置及减振板外形等的合理性决定了增稳云台结构的合理性。

笔者在对现有增稳云台典型结构分析的基础上,通过改变减振球数量、分布位置和减振板外形,设计得到一种多旋翼无人机增稳云台结构。在进行仿真分析时,考虑增稳云台的材料特性,在ANSYS软件中进行减振板、减振球、连接柱的结构建模。将三轴陀螺仪部分的质量、转动惯量以质点的形式加载在减振板上,对增稳云台进行静力学及预应力模态分析,验证所设计的增稳云台能满足无人机的工作要求。

2 优化设计过程

增稳云台减振球数量、位置分布和减振板外形等影响着整体的减振效果。对现有典型的两种增稳云台结构——绕中心均匀圆周分布增稳云台、圆周沿边分布增稳云台在ANSYS软件中进行仿真分析[10-11]。为了具有可比性,两种结构的上下减振板材料、减振球材料、连接柱材料保持一致,只通过改变减振球数量、分布位置和减振板外形来分析比较。

运用ANSYS软件的静力学模块进行仿真分析,两种结构增稳云台在相同载荷和约束条件下仿真得到的总变形和总等效应力结果分别如图1、图2所示。

图1 典型结构增稳云台总变形结果

图2 典型结构增稳云台总等效应力结果

两种结构最大变形都位于无刷电机与上减振板连接处,绕中心均匀圆周分布增稳云台的最大变形量为0.036 51 mm,圆周沿边分布增稳云台的最大变形量为0.079 49 mm。两者的变形量都较小,绕中心均匀圆周分布增稳云台优于圆周沿边分布增稳云台。相较于圆周沿边分布增稳云台,绕中心均匀圆周分布增稳云台减振球位置分布及上下减振板外形更优。

等效应力的大小影响着工作构件的强度和使用寿命。圆周沿边分布增稳云台的最大等效应力为36.275 MPa,绕中心均匀圆周分布增稳云台的最大等效应力为31.927 MPa。综上所述,绕中心均匀圆周分布增稳云台的分析结果更优。

在参考典型结构的基础上,设计了一种多旋翼无人机增稳云台,在减小结构质量的同时,增加减振球,以更好地减小边缘应力。在四个角上分别设置三个减振球孔位,在中间挖除一部分减振板,然后插入八根铝合金柱,用于机体和下减振板的连接。增稳云台增稳部分装配体如图3所示,增稳云台总变形和总等效应力分析结果分别如图4、图5所示。分析结果显示,总变形和总等效应力小于两种典型结构,最大变形量为0.035 732 mm,最大等效应力为33.701 MPa,产生在上减振板与无刷电机连接处,远小于碳纤维的拉伸强度。

图3 增稳云台增稳部分装配体

图4 增稳云台总变形分析结果

图5 增稳云台总等效应力分析结果

3 增稳云台建模

3.1 上下减振板结构

复合材料指至少由两种不同成分构成,特性相互补充的新型材料。复合材料热稳定性好,比强度、比刚度高,如今已普遍应用于船舶船体运动配件、汽车运动部件、飞机机翼和前机身、大型运载火箭壳体等多个领域。选择碳纤维环氧树脂复合材料作为上下减振板的材质。碳纤维和树脂基体复合,不仅保持了玻璃钢的优良特性,而且强度和弹性模量均超过普通合金,因此成为比强度与比模量最高的复合材料之一。

对复合材料几何模型的结构分析与传统的静力学结构分析步骤有所不同。传统材料的结构分析,可以利用其它三维软件建模生成产品模型数据交换标准文件,直接导入静力学模块进行分析求解。复合材料的几何模型则需要在复合材料前处理模块中先构建平面草图,由草图生成实体几何平面,然后进入模型环境对设计的模型进行网格划分,通过铺层设置来最终形成实体复合板材,具体步骤如下。

(1) 添加材料。选用编织型碳纤维材料作为复合材料的增强材料,添加环氧树脂材料,作为之后生成实体模型时采用的基体材料。

(2) 构建平面几何实体。在建模环境中绘制出设计的草图形状,草图绘制完成后从概念菜单中选择从草图生成平面选项来生成几何平面。

(3) 网格划分。在组网细节框中设置网格大小,查看网格划分质量中的网格质量检查选项,其平均值为0.86,大于0.7,偏度最大值为0.776,满足网格划分要求。减振板网格划分如图6所示。

图6 减振板网格划分

(4) 铺层设置。对铺层纤维材料属性与铺层厚度进行设置,常用的碳纤维布为0.111 mm和0.167 mm两种厚度,设置铺层厚度为0.167 mm。创建三个碳纤维叠层,分别设置角度为-90°、0°、90°。在坐标系统中定义纤维方向平行,在建模层级中建立复合材料铺层的层级。上下减振板平面模型的铺层数量均设置为9,铺层角度按-90°、0°、90°顺序循环。铺层角度效果显示如图7所示。

图7 铺层角度效果显示

(5) 对铺层生成实体模型。选取环氧树脂为复合材料的基体材料,来生成铺层实体模型,如图8所示。

图8 铺层实体模型

3.2 减振球及连接柱

减振球将动能转换为内能,因此可以降低无人机机体传递至增稳云台的振动。针对以往将橡胶球刚体化的问题,在研究中选用橡胶材质的减振球进行仿真。橡胶材料是一种典型的超弹性材料,由于特殊的物理化学性能及与金属材料相比所固有的大变形特性,使选用橡胶材料成为一个高度复杂的非线性研究问题。

在进行超弹体模型研究时,常见的模型有Neo-Hookean模型、Arruda-Boyce模型、穆尼-里夫林模型等。近年来的相关研究表明,当所研究的橡胶材料产生的变形较小时,一般采用穆尼-里夫林模型[12-13],表达式为:

(1)

其中,邵氏硬度HA为40时橡胶材料参数见表1。

表1 邵氏硬度HA为40时橡胶材料参数

利用ANSYS软件中的机械模型模块对减振球进行实体建模。根据所涉及的增稳云台实时工况预测,实体建模时选用穆尼-里夫林模型,所设计的减振球几何草图如图9所示。

图9 减振球几何草图

铝合金具有良好的力学性能和较低的密度,广泛应用于航空航天领域,是飞机制造的主要材料。选择铝合金材质来制作连接柱。进入设计建模模块进行环境建模,减振球与连接柱的模型如图10所示。

图10 减振球与连接柱模型

3.3 三轴陀螺仪结构

运用SolidWorks软件对三轴陀螺仪进行建模和装配。三轴陀螺仪主要由三个无刷电机、四个连接轴臂、两个托盘轴、一个托盘、一个镜头板组成,将所涉及的总体装配结构尺寸控制在250 mm×250 mm×250 mm以内。假设所有结构的质量密度分布均匀,然后利用SolidWorks软件的质量属性模块对三轴陀螺仪主要部件的质量进行计算测量,具体数据见表2。

表2 三轴陀螺仪主要部件质量 g

3.4 增稳云台模型装配

由于增稳云台装配体中含有复合材料模型,因此装配过程和传统装配方式有所不同,无法在模型模块中调取复合材料模型,而是需要在最初构建平面模型时就定义坐标平面的位置,使三部分实体模型在导入静力学模块时能保证配合,并且不发生干涉。增稳云台实体装配结果如图11所示。

图11 增稳云台实体装配结果

4 静力学分析

对增稳云台进行静力学分析,并利用静力学分析结果进行预应力模态分析,通过固有频率和电机激振频率对比,来验证结构是否会发生共振。

4.1 网格划分

减振球为不规则几何实体,采用多域法进行网格划分。设置映射类型为六面体,扫掠单元的尺寸为2 mm。对八根连接柱采用扫掠法进行网格划分,定义两个端面分别为源面和目标面。最终完成整个增稳云台网格划分,网格节点数为386 955,单元数为247 158。增稳云台网格划分如图12所示。

图12 增稳云台网格划分

4.2 接触设置

定义减振板为目标接触面,减振球所在面为接触面,默认接触为绑定接触。连接柱与上下减振板定义为对称接触,并且保证接触面无相互穿透。

4.3 约束和载荷设置

上减振板与无刷电机直接相连,承载了下方增稳云台和相机的总质量。设置载荷时,以质点的形式将质量加载在上减振板处,设定质量为0.831 kg。同时输入三个坐标轴上的转动惯量,来模拟三轴陀螺仪悬挂在增稳云台下方时的工作状态。对连接柱的上端面进行固定约束,并对增稳云台施加惯性载荷,设定重力加速度为9.806 65 m/s2,并设置方向为竖直向下。约束和载荷设置结果如图13所示。

图13 约束和载荷设置结果

4.4 分析结果

增稳云台的静力学分析结果和上下减振板的等效应力分析结果分别如图14、图15所示。最大变形发生在无刷电机与上减振板的连接处,最大变形量仅为0.069 316 mm,数值较小,减振板刚度满足要求。

图14 增稳云台静力学分析结果

图15 减振板等效应力分析结果

上减振板的最大等效应力发生在与无刷电机的连接处,该区域承担着三轴陀螺仪和相机的总质量,最大等效应力为48.807 MPa,远小于碳纤维复合板材的抗拉强度。

下减振板的最大等效应力发生在与连接柱的连接处,该区域承担着增稳云台的总质量,最大等效应力为0.499 78 MPa。查阅资料得常见的防锈铝合金抗拉强度为265 MPa,因此满足强度要求。

5 模态分析

5.1 激振频率

多旋翼无人机在工作时,六个旋翼臂上的电机和桨叶转动产生的周期性振动会通过连接柱传递至增稳云台,这是多旋翼无人机工作时的主要振动来源,从而影响增稳云台搭载的光电设备成像效果。

多旋翼无人机的激振频率主要来源于驱动桨叶的无刷电机。所用的电机为KV390无刷电机,当电机在22.2 V电压下工作时,能提供8 658 r/min的转速,即144.3 r/s。根据电机激振频率计算式,可以得出激振频率为288.6 Hz。

5.2 模态求解结果

在ANSYS Workbench软件中共享几何模型和求解结果,将求解阶数设置为10。增稳云台前十阶固有频率见表3。前述激振频率处于8阶和9阶模态频率之间,且均没有接近固有频率,因此可以看出增稳云台结构连接在带有KV390无刷电机的六旋翼无人机时,不会发生剧烈共振。

表3 增稳云台前十阶固有频率

6 结束语

笔者主要对减振球数量、分布位置和减振板外形等进行优化设计,从而得到能够兼容大多数无人机的多旋翼无人机增稳云台。利用ANSYS软件复合材料模块进行碳纤维环氧树脂复合板材建模,针对以往将减振球刚体化的问题,在研究中对减振球采用穆尼-里夫林超弹模型进行仿真,以提高仿真结果的真实性。同时将三轴陀螺仪部分的质量、转动惯量以质点形式加载在减振板上,通过静力学、模态分析验证所设计的增稳云台能够满足多旋翼无人机的工作要求。