无人机惯性测量单元减振设计与验证

limao164 2023-07-17 发布于四川

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概述

惯性测量单元（IMU）是两个或以上的传感器的总称，如陀螺仪、加速度计等。IMU是无人机飞控核心数据来源，其测量的精度，直接影响飞控姿态算法输出，从而影响飞机整体控制水平。IMU减振设计难度大。主要是设计变量比较多，无人机的振动环境复杂。振动分析是通过查看IMU原始数据。如果数据噪声波动范围不超过正负0.15rad/s，加速度不超过正负3m/s2（不同量级无人机判别标准略有差异），才能保证无人机具有良好的飞行品质。否者，则需要改进机体结构，IMU减振结构，降低机架振动水平才能改善飞行性能。

飞控IMU减震示意图

设计思路

一，为了减少振动与冲击对IMU的影响，通过材料选用和合理的结构设计，增强IMU的自适应性，在IMU上安装减振器，通过隔离振动，有效地减少机体振动对IMU测量精度的影响，其结构减振方式可概括为以下几点：

1，芯片的选择，选择高精度新一代惯性测量单元，例如：MPU6050，BMI055。而老一代的飞控，加速度计：ADXL326 陀螺仪：ADXRS620，气压计：MPXH6115 ADC: AD7689(16位8通道）（WKM飞控）均是单轴测量，所以设计六面体，保证三个轴垂直精度，这种设计是需要校准的，且存在一定的安装误差。

2，减振材料可选硅胶，橡胶，硅橡胶，海绵，钢丝绳，空气阻尼器等，对于大载重的直升机可以用钢丝绳减振，可以达到较低的频率，一般5Hz以下；对于小型无人机，减振一般采用硅橡胶及海绵，一般10-50Hz的频率；

3，减振结构的受力形式，可以分为三种，第一种是压缩，第二种是剪切。第三种拉伸；

4，结构上所需设计的是，安装IMU电路板的结构，牢固可靠器件之间无干涉。尽可能的保证芯片重心与IMU的重心在同一点；

5，需要考虑IMU的配重设计，可通过相应的配重安装结构，试验测出最佳配重重量；

6，固定方式：粘接，机械连接，柔性连接，内减振设计与外减振设计结合。

二、结构设计主要关注减振器设计指标有减振频率范围，谐振频率，载荷，回复精度，等刚度，高低温性能，环境适应性，寿命等。一般而言，减振频率是由无人机振源决定的，不同量级无人机的振动水平完全不一样的。重点是对减振结构进行强度及机体振动动力学分析与试验验证，结合飞行实测数据进行迭代优化。

三、动力学分析方法是运用有限元法通过ANSYS软件对其进行模态分析和瞬态动力学分析，确定系统振动状态与振动特性。首先，对减振结构模型简化，其次，设置各个材料属性。再次，进行网格划分，施加约束和载荷。再次，求解得出前四阶模态得出共振频率和振型。最后，对模型进行瞬态动力学分析，分析模型传力方式，定义位移约束面，施加等效正弦载荷激励，网格划分后计算得出各个方向质心位移曲线。为迭代设计优化提供对比数据。

模态和瞬态分析（参考）

四、一般IMU减振器布置方式有两种，一种是，上下对称布置，即下面减振器承受压力，上面减振器承受拉力，虽然满足振动解耦的条件，但是角振动与线振动不相耦合。由于橡胶材料的减震器的剪切模量与弹性模量差别大，减振系统不满足XYZ三个方的刚度相等，会产生较多的共振点。因此需要优化减振橡胶的外形尺寸才和结构受力能达到橡胶减震系统的等刚度特性。另外一种是，在减震器斜角处布置减震器，让减震器承受橡胶剪力。该减振系统仍满足振动解耦的条件。

当减振系统XYZ三个方向发生位移运动时，减振橡胶的受拉压力与受剪切力的比例一致，该减振系统满足三向等刚度特性，不会产生过多共振点。

减震器布置方式

振动测试

振动测试是对减振结构的初步验证，主要是在振动台上进行。主要目的有两方面，一方面，分析减振结构设计振动数据，验证结构设计是否合理。另一方面，对比减振结构和现有减振结构的减振效果，验证减振结构是否可用于搭载测试。

模拟无人机典型振动范围。从低频振动到高频振动进行扫频测试，确定减振效果较差的频率点；然后再该频率点下进行定频测试，验证减振结构的稳定性与数据的可靠性；在无人机典型频率点进行变幅测试，验证减振结构对不同振幅的减振效果的影响。

搭载测试

将待测减震与基准减震安装于同一架无人机结构相邻的位置，在相同的安装条件下，默认两套装置所处位置的震动条件相同，测试飞机在典型工况条件下的震动情况，然后通过飞控采集数据。

A，悬停工况：满载、半载、空载分别悬停一定时间；

B，运动工况：无人机在低、中、高速状态下各维持一定时间飞行；

C，大姿态工况：无人机分别完成俯仰、横滚方向上大姿态，打杆各数次。

振动主要集中在加速度计的z轴和陀螺仪的xy轴，因此需要分析无人机的振动特性主要观察上述三个轴的输出值。主要是针对IMU所设计的减震效果验证，验证方式可概括为以下几点：

A，电调（或舵机）的响应频率大约在400Hz，角速度控制环最高可到400Hz左右；一般无人机的带宽在30-40Hz左右，而角速度的反馈数据，频率最好在200-400Hz，所以采样频率和控制频率最好不低于200Hz。

在恒定的采样频率200Hz条件下，通过飞行测试得出时域数据。判断加速度计的三轴振幅和角速度的振幅差别。

三轴加速度时域数据（AxAyAz））和角速度时域数据（GxGyGz）

B，通过飞行测试得出频域数据。一方面，分析三轴数据的振动频点以及各频点的振动强度的差别。另一方面，分析三轴角速度与加速度的频点的差别。然后判别对应频率的振动源位置及传导方式。

三轴加速度频域数据（AxAyAz））和角速度频域数据（GxGyGz）

软件滤波

采集IMU原始数据，看看波形是否平滑，如果波形有高频抖动，可以用滤波的方式解决。滤波器设计原则，截止频率低、动态响应快、延时尽可能小。例如，二阶巴特沃斯低通滤波器。其特点：阶数低，数据量小。参数选择合理的情况下，可做到平滑滤波，无超调。一般无人机低通滤波范围在30-50之间，需要注意的是软件滤波会造成延迟，不能所有问题都依赖软件滤波。要从根本上解决高频抖动问题，即机体结构和IMU的减震。

首先，分析在不同截止频率下的时域特性及加速度波动情况，截止频率的选择与IMU原始数据的快速傅立叶变换有关，通过快速傅立叶变换可以得到各个频段的幅值，其次，确定IMU原始数据会产生高频信号干扰的频段，选择低于这个频段的截止频率，再次，综合判断滤波效果的。最后，分析不同频率段的振幅情况，综合判断IMU减震效果。在理想状态下，飞控减震效果的好坏即IMU加速度计峰峰值尽量保持在0.15g以内，且10Hz以内的低频段内不存在大振幅频点。