多旋翼无人机惯性测量单元振动分析和减振设计

发布时间：2017-09-20 15:41

  本文关键词：多旋翼无人机惯性测量单元振动分析和减振设计

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【摘要】：随着小型多旋翼无人机得到越来越广泛的应用,多旋翼无人机的振动分析和减振研究成为多旋翼无人机进一步发展的关键。本文针对自主研发的Hex-rotor多旋翼无人机的结构特点,对其惯性测量单元进行减振设计。文章从振动分析入手,利用信号处理相关知识完成了多旋翼无人机的振动测量以及特性总结,随后根据减振的理论知识,通过有限元方法完成了减振结构的设计,最后还从仿真实验、测量实验以及实际作业使用三个方面验证了减振结构的合理性。文章的主要研究内容有:(1)分析Hex-rotor多旋翼无人机结构特点以及传感器在无人机控制中起到的作用,总结惯性测量单元的特性以及振动对姿态角的影响,从而明确减振设计的目标和重要性,同时提供减振效果评估的思路。在已有的多旋翼无人机控制系统基础上进行修改,编写程序,搭建多旋翼无人机的振动信号高速反馈系统,实现三轴加速度信号的高速实时回传,回传信号频率在250Hz以上。再根据多旋翼无人机的使用环境和外界干扰特征,利用该系统设计了多旋翼无人机的加速度测量实验。(2)对电机转速约为2400转/分钟和3600转/分钟时的多旋翼三轴加速度信号分别进行采集。根据惯性测量单元的安装方式,选择Z方向重点研究,分析测得的加速度信号的时域特征。再利用傅里叶变换将加速度信号转换到频域,分析其频域特征,发现振幅较大的频率位于当前电机转速的倍频处。最后得出通用性的多旋翼无人机振动频谱模型,并对各频率分量上的振动产生原因作出分析。(3)利用有限元分析软件ANSYS进行减振设计。首先针对推荐的惯性测量单元安装结构做模态分析,明确结构强度足够。之后根据阻尼减振的相关知识和橡胶材料的特征,设计合理的减振结构。并利用有限元方法对减振结构的频率响应特征进行分析。(4)对减振结构进行验证。首先估计在水平位置附近时,加速度的误差与角度误差之间的关系;随后根据传感器数据融合的卡尔曼滤波原理,建立陀螺仪和加速度计的数据融合模型,选择合适的参数进行仿真,仿真结果表明数据融合后得到的角度误差与振动误差是同步降低的。接着尝试制作了减振结构安装到多旋翼无人机上,再次进行测量实验,比较减振前后的实际测量结果。最后在通过实际使用,检测多旋翼无人机的飞行效果。由于多旋翼无人机自身是一个复杂的机电系统,减振的研究涉及到信号处理、电子学、机械结构设计和控制学等理论,本文的内容对以上几门学科都有涉及,虽然相对基础,但是基本完整地列举了多旋翼无人机减振设计需要考虑的要点,这一设计过程和方法对相关研究具有一定的参考价值。最后得出的减振结构,应用于Hex-rotor上,在实际使用中取得了良好的效果。
【关键词】：多旋翼无人机 减振设计 频域分析 有限元方法 卡尔曼滤波
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 课题背景及意义10-14
• 1.2 研究现状及挑战14-16
• 1.3 本文研究目标和内容16-20
• 第2章 Hex-rotor多旋翼无人机实验平台20-32
• 2.1 前言20
• 2.2 Hex-rotor多旋翼无人机简介20-25
• 2.3 Hex-rotor多旋翼无人机控制方法25-27
• 2.4 Hex-rotor多旋翼无人机惯性测量单元27-30
• 2.5 本章小结30-32
• 第3章 实验设计及数据分析32-42
• 3.1 前言32
• 3.2 多旋翼无人机振动测量实验设计32-35
• 3.3 实验结果分析35-39
• 3.4 通用振动模型总结39-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第4章 有限元方法减振设计42-56
• 4.1 前言42
• 4.2 传感器安装结构模态分析42-46
• 4.3 减振相关理论46-51
• 4.4 减振设计51-55
• 4.5 本章小结55-56
• 第5章 减振效果验证56-68
• 5.1 前言56
• 5.2 减振结果仿真56-64
• 5.3 减振后的对比实验64-66
• 5.4 实际作业表现66
• 5.5 本章小结66-68
• 第6章 总结与展望68-70
• 6.1 全文工作总结68-69
• 6.2 展望69-70
• 参考文献70-76
• 在学期间学术成果情况76-77
• 指导教师及作者简介77-78
• 致谢78

【参考文献】

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本文编号：888920