無人機(jī)慣性測量單元減振設(shè)計與驗證

limao164 2023-07-17 發(fā)布于四川

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概述

慣性測量單元（IMU）是兩個或以上的傳感器的總稱，如陀螺儀、加速度計等。IMU是無人機(jī)飛控核心數(shù)據(jù)來源，其測量的精度，直接影響飛控姿態(tài)算法輸出，從而影響飛機(jī)整體控制水平。IMU減振設(shè)計難度大。主要是設(shè)計變量比較多，無人機(jī)的振動環(huán)境復(fù)雜。振動分析是通過查看IMU原始數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)噪聲波動范圍不超過正負(fù)0.15rad/s，加速度不超過正負(fù)3m/s2（不同量級無人機(jī)判別標(biāo)準(zhǔn)略有差異），才能保證無人機(jī)具有良好的飛行品質(zhì)。否者，則需要改進(jìn)機(jī)體結(jié)構(gòu)，IMU減振結(jié)構(gòu)，降低機(jī)架振動水平才能改善飛行性能。

飛控IMU減震示意圖

設(shè)計思路

一，為了減少振動與沖擊對IMU的影響，通過材料選用和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，增強(qiáng)IMU的自適應(yīng)性，在IMU上安裝減振器，通過隔離振動，有效地減少機(jī)體振動對IMU測量精度的影響，其結(jié)構(gòu)減振方式可概括為以下幾點：

1，芯片的選擇，選擇高精度新一代慣性測量單元，例如：MPU6050，BMI055。而老一代的飛控，加速度計：ADXL326 陀螺儀：ADXRS620，氣壓計：MPXH6115 ADC: AD7689(16位8通道）（WKM飛控）均是單軸測量，所以設(shè)計六面體，保證三個軸垂直精度，這種設(shè)計是需要校準(zhǔn)的，且存在一定的安裝誤差。

2，減振材料可選硅膠，橡膠，硅橡膠，海綿，鋼絲繩，空氣阻尼器等，對于大載重的直升機(jī)可以用鋼絲繩減振，可以達(dá)到較低的頻率，一般5Hz以下；對于小型無人機(jī)，減振一般采用硅橡膠及海綿，一般10-50Hz的頻率；

3，減振結(jié)構(gòu)的受力形式，可以分為三種，第一種是壓縮，第二種是剪切。第三種拉伸；

4，結(jié)構(gòu)上所需設(shè)計的是，安裝IMU電路板的結(jié)構(gòu)，牢固可靠器件之間無干涉。盡可能的保證芯片重心與IMU的重心在同一點；

5，需要考慮IMU的配重設(shè)計，可通過相應(yīng)的配重安裝結(jié)構(gòu)，試驗測出最佳配重重量；

6，固定方式：粘接，機(jī)械連接，柔性連接，內(nèi)減振設(shè)計與外減振設(shè)計結(jié)合。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計主要關(guān)注減振器設(shè)計指標(biāo)有減振頻率范圍，諧振頻率，載荷，回復(fù)精度，等剛度，高低溫性能，環(huán)境適應(yīng)性，壽命等。一般而言，減振頻率是由無人機(jī)振源決定的，不同量級無人機(jī)的振動水平完全不一樣的。重點是對減振結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度及機(jī)體振動動力學(xué)分析與試驗驗證，結(jié)合飛行實測數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代優(yōu)化。

三、動力學(xué)分析方法是運(yùn)用有限元法通過ANSYS軟件對其進(jìn)行模態(tài)分析和瞬態(tài)動力學(xué)分析，確定系統(tǒng)振動狀態(tài)與振動特性。首先，對減振結(jié)構(gòu)模型簡化，其次，設(shè)置各個材料屬性。再次，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加約束和載荷。再次，求解得出前四階模態(tài)得出共振頻率和振型。最后，對模型進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析，分析模型傳力方式，定義位移約束面，施加等效正弦載荷激勵，網(wǎng)格劃分后計算得出各個方向質(zhì)心位移曲線。為迭代設(shè)計優(yōu)化提供對比數(shù)據(jù)。

模態(tài)和瞬態(tài)分析（參考）

四、一般IMU減振器布置方式有兩種，一種是，上下對稱布置，即下面減振器承受壓力，上面減振器承受拉力，雖然滿足振動解耦的條件，但是角振動與線振動不相耦合。由于橡膠材料的減震器的剪切模量與彈性模量差別大，減振系統(tǒng)不滿足XYZ三個方的剛度相等，會產(chǎn)生較多的共振點。因此需要優(yōu)化減振橡膠的外形尺寸才和結(jié)構(gòu)受力能達(dá)到橡膠減震系統(tǒng)的等剛度特性。另外一種是，在減震器斜角處布置減震器，讓減震器承受橡膠剪力。該減振系統(tǒng)仍滿足振動解耦的條件。

當(dāng)減振系統(tǒng)XYZ三個方向發(fā)生位移運(yùn)動時，減振橡膠的受拉壓力與受剪切力的比例一致，該減振系統(tǒng)滿足三向等剛度特性，不會產(chǎn)生過多共振點。

減震器布置方式

振動測試

振動測試是對減振結(jié)構(gòu)的初步驗證，主要是在振動臺上進(jìn)行。主要目的有兩方面，一方面，分析減振結(jié)構(gòu)設(shè)計振動數(shù)據(jù)，驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理。另一方面，對比減振結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有減振結(jié)構(gòu)的減振效果，驗證減振結(jié)構(gòu)是否可用于搭載測試。

模擬無人機(jī)典型振動范圍。從低頻振動到高頻振動進(jìn)行掃頻測試，確定減振效果較差的頻率點；然后再該頻率點下進(jìn)行定頻測試，驗證減振結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)的可靠性；在無人機(jī)典型頻率點進(jìn)行變幅測試，驗證減振結(jié)構(gòu)對不同振幅的減振效果的影響。

搭載測試

將待測減震與基準(zhǔn)減震安裝于同一架無人機(jī)結(jié)構(gòu)相鄰的位置，在相同的安裝條件下，默認(rèn)兩套裝置所處位置的震動條件相同，測試飛機(jī)在典型工況條件下的震動情況，然后通過飛控采集數(shù)據(jù)。

A，懸停工況：滿載、半載、空載分別懸停一定時間；

B，運(yùn)動工況：無人機(jī)在低、中、高速狀態(tài)下各維持一定時間飛行；

C，大姿態(tài)工況：無人機(jī)分別完成俯仰、橫滾方向上大姿態(tài)，打桿各數(shù)次。

振動主要集中在加速度計的z軸和陀螺儀的xy軸，因此需要分析無人機(jī)的振動特性主要觀察上述三個軸的輸出值。主要是針對IMU所設(shè)計的減震效果驗證，驗證方式可概括為以下幾點：

A，電調(diào)（或舵機(jī)）的響應(yīng)頻率大約在400Hz，角速度控制環(huán)最高可到400Hz左右；一般無人機(jī)的帶寬在30-40Hz左右，而角速度的反饋數(shù)據(jù)，頻率最好在200-400Hz，所以采樣頻率和控制頻率最好不低于200Hz。

在恒定的采樣頻率200Hz條件下，通過飛行測試得出時域數(shù)據(jù)。判斷加速度計的三軸振幅和角速度的振幅差別。

三軸加速度時域數(shù)據(jù)（AxAyAz））和角速度時域數(shù)據(jù)（GxGyGz）

B，通過飛行測試得出頻域數(shù)據(jù)。一方面，分析三軸數(shù)據(jù)的振動頻點以及各頻點的振動強(qiáng)度的差別。另一方面，分析三軸角速度與加速度的頻點的差別。然后判別對應(yīng)頻率的振動源位置及傳導(dǎo)方式。

三軸加速度頻域數(shù)據(jù)（AxAyAz））和角速度頻域數(shù)據(jù)（GxGyGz）

軟件濾波

采集IMU原始數(shù)據(jù)，看看波形是否平滑，如果波形有高頻抖動，可以用濾波的方式解決。濾波器設(shè)計原則，截止頻率低、動態(tài)響應(yīng)快、延時盡可能小。例如，二階巴特沃斯低通濾波器。其特點：階數(shù)低，數(shù)據(jù)量小。參數(shù)選擇合理的情況下，可做到平滑濾波，無超調(diào)。一般無人機(jī)低通濾波范圍在30-50之間，需要注意的是軟件濾波會造成延遲，不能所有問題都依賴軟件濾波。要從根本上解決高頻抖動問題，即機(jī)體結(jié)構(gòu)和IMU的減震。

首先，分析在不同截止頻率下的時域特性及加速度波動情況，截止頻率的選擇與IMU原始數(shù)據(jù)的快速傅立葉變換有關(guān)，通過快速傅立葉變換可以得到各個頻段的幅值，其次，確定IMU原始數(shù)據(jù)會產(chǎn)生高頻信號干擾的頻段，選擇低于這個頻段的截止頻率，再次，綜合判斷濾波效果的。最后，分析不同頻率段的振幅情況，綜合判斷IMU減震效果。在理想狀態(tài)下，飛控減震效果的好壞即IMU加速度計峰峰值盡量保持在0.15g以內(nèi)，且10Hz以內(nèi)的低頻段內(nèi)不存在大振幅頻點。

基于MATLAB低通濾波器設(shè)計界面

模型辨識

采用單通道激勵與單通道采集的方式進(jìn)行模型辨識數(shù)據(jù)采集。主要包括：電機(jī)響應(yīng)模型，滾轉(zhuǎn)通道模型，俯仰通道模型，航向通道模型，垂向通道模型。完成激勵與相應(yīng)數(shù)據(jù)，然后建立與上述5項對應(yīng)的辨識模型的傳遞函數(shù)，利用模型擬合，再基于PID控制器閉環(huán)響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)響應(yīng)P，I，D響應(yīng)參數(shù)。

單通道數(shù)據(jù)擬合結(jié)果（參考）

結(jié)語

慣性測量單元是無人機(jī)飛控系統(tǒng)的核心器件，隨著慣性測量單元在測量精度和功能上的完善和迭代，其減振系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)也是當(dāng)下亟待解決的難點問題。一方面，結(jié)構(gòu)上通過減振動力學(xué)設(shè)計。另一方面，通過軟件濾波的手段彌補(bǔ)減振結(jié)構(gòu)的不足。注：圖片源于網(wǎng)絡(luò)。

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