多旋翼无人机用单载荷光电稳定平台结构设计

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多旋翼无人机是一种极具自身特点的飞行器,同时存在具有操控简单方便、高可靠性与结构简单易于维修的优点,另外,也具有振动情况复杂、续航时间短、载重量低的不足。如何结合多旋翼无人机的特点设计一款光电稳定平台将具有一定的实际意义。本文以课题组自主研发的Hex-rotor多旋翼无人飞行器为平台,设计一型针对该型号无人机的单载荷光电稳定平台,并结合有限元软件对该光电平台的减振性能进行分析。本文首先对国内外光电平台进行了概述,对光电平台的发展趋势进行了总结。在对其他各型号光电平台的分析中总结出目前多旋翼无人机用光电平台存在的三个问题:云台安全性差、减振性能不够、重量过重。针对以上三个问题对云台展开设计工作。确定了云台机械结构部分以轻巧、高强度、加工性好的铝合金2A12为材料,对云台的各个相关元件:相机、无刷电机、传感器、主控电路、减振球进行了选型,并确定了它们相互之间的连接方式、与相对位置。结合所选元件,利用SolidWorks对云台进行了设计,在设计过程中保证了云台的小巧、轻盈、坚固等要求。其次,利用ANSYS Workbench有限元分析软件对云台模型进行了静力学分析和动力学分析。利用静力学分析对云台各零件的刚度与强度进行了检验,得出了连接臂刚度不足以及相机座与滚转轴电机座强度过剩的结论。并针对多旋翼无人机振动幅度大、激振源多、振动情况复杂的情况,对云台进行了动力学分析。利用加速度计对无人机的振动数据进行了采样,得出无人机工作时振动频率集中于60Hz、120Hz、140Hz、180Hz的结论。利用ANSYS Workbench有限元分析软件对云台进行动力学分析。其一,对云台的减振系统进行模态分析,得出了其响应谱,在无人机飞行时的振动环境下,云台经减振后,能够有效的减小振动。其二,利用无人机振动频谱对云台进行了响应谱分析。并通过对比经过减振的云台与未经减振云台的振动云图,发现经过减振的云台振幅最大能减小45.1%。最后利用ANSYS Workbench有限元分析软件对之前分析中出现问题的部分零件进行了具体的分析,总结出了这些零件部分结构参数与其结构刚度的关系。并利用此结论对云台进行了优化,优化后的云台在静止不动重力环境下发生的最大位移为0.9818mm,较之前减小了8.9273mm。在无人机振动环境下最大振幅为0.512mm,说明优化后,云台刚度得到了增强,云台的静态与动态特性有较好的提升。证明该云台设计在减振性能上有良好的表现,对今后的多旋翼无人机用光电稳定平台的设计有一定的参考价值。
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