无人机惯性测量单元减振设计技术的应用与验证

　　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：
 

 

　　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。
 

 

 

　　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，角速度的反馈数据控制在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。


       这就是关于无人机惯性测量单元减振设计技术的应用与验证的相关信息，希望能对您有所帮助，湖南超立方空间信息技术有限公司从事智慧城市基础数据系统研发和应用、网格化智慧 社区管理平台、地理信息系统延伸服务、遥感与空间信息技术有关的 配套软件产品的研发生产、遥感数据产品加工、智慧城市基础框架建 设、数字地图在各行业的应用、专业级无人机系统的研发和生产，三 维建模系统的打造和数据采集、各类专用地图的采集加工和制作以及 各种增值服务。