小型无人机机载台车的设计与分析

小型无人机机载台车的设计与分析

0程序模拟与振动分析小型无人机已经拥有多种高科技技术，用途广泛，成本低，效费低，无人员伤亡风险大，生存能力强，流动性好，使用方便。它在现代战争中发挥了极其重要的作用，在民用领域也发挥了很大的作用。小型无人机上装备的云台主要用于民用航拍、反恐侦察、目标捕获及识别、战场障碍物探测等。目前,世界各国都加强了机载云台系统的研究。例如,美军“捕食者”战略无人机上装备的“天球”云台系统,以色列军方研制的MOSP云台系统,英国的Phoenix云台系统等。在云台结构内部安装有摄像机、红外仪、舵机、控制电路等,为了避免出现机体传递过来的激振频率和云台的固有频率接近,引起共振,而对图像采集产生严重影响,在机载云台安装使用之前,很有必要对其做振动分析。并且,根据分析的结果可以对结构做进一步的改进和优化,同时也为进一步研究云台的减振增稳技术提供了前提条件。在振动分析中,模态分析是最基础和最重要的,也是后续其它分析(如瞬态响应分析,频谱分析等)的前提。本研究根据小型机载高精云台的功能要求,首先设计云台的机械结构,并利用CATIA建立云台的3D实体模型;然后把实体模型导入ANSYS中划分网格、建立有限元模型,进行结构静力分析;再在ANSYS中做模态分析;最后根据分析结果,对云台结构合理性进行评估。1平台结构模型云台设计既要考虑实用性,又要考虑美观性,所以设计云台密封摄像机、红外仪及各种传感器等监控设备的壳体为球形,并在上面开一定数量的孔,以满足拍摄、机械传动、布线等要求。同时在球形壳体内部沿摄像机轴线方向预留一定的空间,以满足摄像头调焦的目的。球形壳体固定在水平轴上,由安装在云台上面方形壳体内部的舵机驱动水平轴。考虑到节省空间和美观性要求,舵机到水平轴采用带传动。竖直轴固定安装在小型无人机上,由安装在机体上的舵机驱动做水平转动,舵机到竖直轴采用齿轮传动。当小型无人机姿态改变时(如偏航,俯仰),通过安装在云台内部的控制电路驱动舵机转动,使云台能实现反向的水平转动和俯仰转动,从而摄像头能始终对准拍摄目标。CATIA是法国达索公司开发的高档CAD/CAM软件。CATIA软件以其强大的曲面设计功能而在飞机、汽车、轮船等设计领域享有很高的声誉。使用CATIAV5R17建立的云台结构模型如图1所示。转角范围为:俯仰(-10°～100°);水平(-100°～100°)。摄像机和红外仪安装固定在球形外壳内部的支架上。2云结构的静力分析2.1云模型的建立本研究把CATIA建立的云台3D模型导入Workbench,并选用合适的单元类型划分网格,以建立云台的有限元模型,如图2所示(节点总数为127747,单元总数为58768)。2.2初支弯力的施加云台通过竖直轴安装在机身下面,当小型无人机在加速飞行时,机身通过竖直轴对云台也产生了一个加速度。这样云台具备加速度,由于惯性力作用,相对于机身在竖直轴处就会形成一个弯矩。为了保证云台能够正常工作,就很有必要对竖直轴做弯曲强度校核。假设小型无人机以g=9.8m/s2的水平加速度飞行,那么在云台上就相当于施加一个反向的惯性力,这个反向的力会使轴产生弯曲变形。在Workbench环境中,本研究对整个模型施加水平方向的加速度g=9.8m/s2,并设置好边界条件,以进行静力分析,应力图如图3所示。在轴上的最大弯曲应力为1.9347MPa,远小于铝合金的弯曲许用应力280MPa,说明轴能安全工作。3云结构建模分析3.1系统的动力特性模态分析是用来确定结构振动特性的一种技术,它可以确定结构的固有频率和振型等模态参数。对于一个N自由度系统,其通用的动力学方程为:[M]{U⋅⋅(t)}+[C]{U˙(t)}+[K]{U(t)}={F(t)}(1)[Μ]{U⋅⋅(t)}+[C]{U˙(t)}+[Κ]{U(t)}={F(t)}(1)对于自由振动系统,忽略阻尼和外力的影响,即[C]{U˙(t)}[C]{U˙(t)}和{F(t)}这两项都为零,则系统方程简化为:[M]{U⋅⋅(t)}+[K]{U(t)}=0(2)[Μ]{U⋅⋅(t)}+[Κ]{U(t)}=0(2)假定为简谐振动:{U⋅⋅(t)}={U0}sinωt(3){U⋅⋅(t)}={U0}sinωt(3)把式(3)代入式(2)中可得:([K]-ω2[M]){U0}=0(4)因为{U0}不等于零,式(4)可以变为:|[K]-ω2ii2[M]|=0(5)因为[K]、[M]是n阶矩阵,所以可以求得系统的n阶固有频率ωi,进而可以求出每阶频率所对应的振型。3.2结构振动分析把ANSYSWorkbench建立的有限元网格模型导入ANSYS中,利用ANSYS强大的有限元计算分析能力,本研究选择BlockLanczos方法,以进行模态分析。在本研究中,求解得到初始解,并进行模态扩展,以求得云台结构的4阶固有频率,如表1如示。模态分析的各阶固有频率所对应的振型如图4～图7所示。通过振型图可以看出,第1阶振型是扭转振型,结构绕着Z轴扭转,最大相对位移为38.491mm,发生在结构两侧。第2阶振型是弯曲振型,结构沿Y轴弯曲,最大相对位移为44.514mm,发生在结构底部球面上。第3阶振型是弯曲振型,结构沿X轴弯曲,最大相对位移为50.359mm,发生在结构底部球面上。第4阶振型是弯曲振型,结构沿Y轴相对变形非常大,结构完全被破坏,最大相对位移为47.451mm,发生在球面上部等处。通过对云台结构各阶固有频率所对应的振型图分析,可以发现在各阶频率下振动,会引起共振,结构内部的相对变形很大,云台基本上不能正常工作。但在实际情况下,云台安装在小型无人机上,从机身传递过来的激振频率只有几十赫兹,远远小于云台的各阶固有频率,所以不会引起云台的共振。分析结果说明设计的云台结构满足振动要求,振动对云台正常工作影响较小。同时,通过对各阶振型图的分析,也可以看出结构中把摄像机封闭起来的球壳以及结构两侧的壳体容易出现较大变形。为了使设计出的云台能够应用到其它场合,并能够承受较大的激振频率,就必须增加球壳的厚度和两侧壳体的厚度。4结构的模态分析根据小型无人机机载高精云台的功能需求,本研究设计了两轴云台,实现了摄像头俯仰和水平转动,并用CATIA构建了云台实体模型,接着对竖直轴