機(jī)載多框架光電吊艙無轉(zhuǎn)角隔振方式設(shè)計_田素林_圖文

1、機(jī)載多框架光電吊艙無轉(zhuǎn)角隔振方式設(shè)計摘要：分析了光電偵察吊艙隔振器的作用以及對機(jī)載光電吊艙測量精度的影響，提出了一種多框架光電吊艙的隔振措施，該方法通過對振動的分級衰減，可以有效隔離由光電吊艙載體引起的20Hz 以上的振動。通過對隔振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使隔振器按照X 、Y 、Z 向平動，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，解決了隔振和精確測量的矛盾。關(guān)鍵詞：多框架；光電吊艙；轉(zhuǎn)角；隔振器中圖分類號：V248.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：16729870（2009）04053804收稿日期：200912作者簡介：田素林（1972響。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。方位軸基座方位框架俯仰框架電視/紅外攝像機(jī)俯仰軸圖1光電穩(wěn)定吊艙結(jié)構(gòu)原

2、理圖Fig.1Principle of photoelectric turret structure光電吊艙一般安裝在飛機(jī)或艦艇上，載體的運(yùn)動是隨機(jī)而復(fù)雜的。相對于線振動，一定頻率的角振動會加大攝像系統(tǒng)的像移量，使像質(zhì)下降，降低光學(xué)系統(tǒng)的分辨率。計算表明，線振動振幅為lmm 的影響和地物相對于飛機(jī)上的CCD 探測器產(chǎn)生的像移都可忽略不計，并且傳遞函數(shù)很高；角振動影響卻非常大，傳遞函數(shù)很低；振幅的角振動(30" 產(chǎn)生的像移是線振動振幅為lmm 時產(chǎn)生像移的436倍。因此角振動對成像質(zhì)量的影響比線振動大得多1。不僅如此，振動引起的隔振器轉(zhuǎn)動會導(dǎo)致光電吊艙的吊艙坐標(biāo)系相對于飛機(jī)坐標(biāo)系發(fā)生旋

3、轉(zhuǎn)，使具有測量功能的光電吊艙的測量不準(zhǔn)確，帶來較大測量誤差。為消除振動帶來的視頻圖像的像移，獲得清晰穩(wěn)定的實時圖像，工程上通常采用主動隔振和被動隔振組合的方式對振動進(jìn)行隔離，對低頻，采用陀螺儀實時敏感并糾正載體的姿態(tài)變化，可以實現(xiàn)視軸在慣性空間內(nèi)的穩(wěn)定。對20Hz 以上的中高頻振動，由于受到光電吊艙框架結(jié)構(gòu)剛度、關(guān)節(jié)連接剛度的限制，系統(tǒng)帶寬一般低于25Hz 。所以高于20Hz 的振動就不能依靠主動隔振的方式進(jìn)行隔離。實際上20Hz 以上的角振動同樣會使光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生像移，使光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)下降，因此必須采用相應(yīng)的隔振措施隔離20Hz 以上的中高頻振動。通常采用隔振器來實現(xiàn)這一功能。隔振器的作用

4、等效于一個低通濾波器，理想的隔振器是將X 、Y 、Z 三個方向上20Hz 以上的振動全部隔離，并且隔振器三個方向的固有頻率相同或接近，即要求隔振器能夠?qū)崿F(xiàn)所謂的“三向等剛度”。2隔振器對機(jī)載光電吊艙測量精度的影響光電偵察吊艙一般需要完成兩項任務(wù)：目標(biāo)偵察和目標(biāo)定位。對目標(biāo)偵察，要求攝像系統(tǒng)具有足夠的地面分辨率，并且圖像清晰穩(wěn)定，無抖動、模糊現(xiàn)象。對目標(biāo)定位，要求光電吊艙系統(tǒng)能夠在自動跟蹤狀態(tài)下，準(zhǔn)確測量出目標(biāo)相對于飛機(jī)的空間位置，從而解算出目標(biāo)的實際位置3，測量原理如圖2所示。其中，A-目標(biāo)相對飛機(jī)的方位角；E-目標(biāo)相對飛機(jī)的俯仰角；L- 目標(biāo)距飛機(jī)的距離。圖2光電吊艙測量原理圖Fig2. M

5、easure principlie of photoelectric turret影響飛機(jī)系統(tǒng)對目標(biāo)空間位置準(zhǔn)確定位的因素有：光電吊艙的測角誤差、光電吊艙相對于飛機(jī)基準(zhǔn)的安裝誤差、隔振器誤差、飛機(jī)慣導(dǎo)誤差、鏈路誤差等4，以上影響因素中，最不確定的因素為隔振器帶來的測量誤差。光電吊艙通過隔振器與飛機(jī)相連，相當(dāng)于柔性連接，由隔振器的轉(zhuǎn)動帶來的測量誤差是隨機(jī)誤差，因此很難定量測量修正。在設(shè)計時一般都會盡量減小該誤差，例如隔振器對稱布局，隔振器支撐中心與儀器重心盡量一致等等，會減小隔振器誤差，但減小效果并不明顯。實踐表明，光電吊艙重量越輕，由隔振器引起的測量誤差越大。這是因為重量較輕的光電吊艙更容易受

6、到飛機(jī)的激振產(chǎn)生較大的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。此外還與飛機(jī)的巡航速度有關(guān)。如果飛機(jī)的飛行速度較高，例如達(dá)到500km/h時，風(fēng)洞試驗表明，由光電吊艙產(chǎn)生的風(fēng)阻力將達(dá)到1020kg ，那么隔振器誤差將會被極大化，系統(tǒng)的目標(biāo)定位精度將難以滿足要求。圖3是隔振器變形后引起的平臺坐標(biāo)系與載機(jī)坐標(biāo)系發(fā) 生偏轉(zhuǎn)的示意圖。越大，測量誤差越大，而隔振效果越好。因此，隔振器的隔振能力和測量精度是一個矛盾過程。3多框架光電吊艙隔振設(shè)計為提高光電吊艙的視軸穩(wěn)定精度，同時克服外界風(fēng)阻力矩對穩(wěn)定視軸帶來的不利影響，通常采用田素林，等：機(jī)載多框架光電吊艙無轉(zhuǎn)角隔振方式設(shè)計第4期539一種四框架兩軸穩(wěn)定結(jié)構(gòu)來作為光電吊艙的主體結(jié)構(gòu)。該結(jié)

7、構(gòu)的優(yōu)點是可以有效隔離風(fēng)阻力對光軸穩(wěn)定的影響，實現(xiàn)粗、精穩(wěn)定結(jié)合，提高視軸穩(wěn)定精度，實現(xiàn)對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。因此，該結(jié)構(gòu)是較為廣泛應(yīng)用的機(jī)載光電穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。針對多框架光電吊艙，提出并應(yīng)用了一種可以避免轉(zhuǎn)動、并且在各個方向均能有效隔離振動的得隔振方案。沿Z 向平移載體平臺沿X 向平移沿Y 向平移光電載荷內(nèi)框隔振器外框隔振器圖4多框架光電吊艙無角旋轉(zhuǎn)隔振原理圖Fig.4principle of no revolving damping ofphotoelectric turret多框架光電吊艙隔振原理如圖4所示，由外方位、外俯仰和內(nèi)方位、內(nèi)俯仰兩層框架結(jié)構(gòu)構(gòu)成，外隔振器實際是基座隔振器，光電吊艙整體坐

8、在四個均勻分布的隔振器上，外隔振器安裝在飛機(jī)上，實現(xiàn)對光電吊艙整體隔振。而內(nèi)框架隔振器安裝在外俯仰框架上，內(nèi)方位、內(nèi)俯仰框架坐在內(nèi)隔振器上。外框架隔振器隔離Z 向振動，X 、Y 自由度被限制，繞X 、Y 、Z 向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動也同時被限制。內(nèi)框架隔振器隔離X 、Y 方向的振動，Z 向自由度被限制，繞X 、Y 、Z 向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動也同時被限制。兩極隔振的基本思想是通過逐步減耦，限制隔振器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，隔振器的能量轉(zhuǎn)化過程只能通過直線運(yùn)動來實現(xiàn)。因為由平動產(chǎn)生的位移矢量在一個平面內(nèi)運(yùn)動，對光電吊艙的測量幾乎沒有影響。所以該隔振器方案對測量精度的影響僅限于隔振器定位導(dǎo)桿與隔振器基體之間的間隙量。而該間隙量相

9、對于軟連接而言幾乎可以忽略不計。因此可以大大提高光電吊艙系統(tǒng)的測量精度。隔振材料采用金屬橡膠墊，該材料是優(yōu)異的隔振吸振材料，隨著外力和外界激勵的加大，其固有頻率會減小，即該材料具有剛度漸軟特性。結(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示。通過振動試驗評估隔振器隔振效果，由振動理論可知，隔振器所能隔離的振動頻率要大于其自身固有頻率的2倍，因此可以計算出外框架隔振器Z 向固有頻率要低于14Hz ，X 、Y 向固有頻率高于90Hz （認(rèn)為接近剛體）。而內(nèi)框架隔振器X 、Y 向固有頻率要低于14Hz ，Z 向固有頻率高于90Hz 。圖5外框架隔振結(jié)構(gòu)圖圖6內(nèi)框架隔振結(jié)構(gòu)圖Fig.5Stuciture of outer Fi

10、g.6Stuciture of inter framer dampingframer damping4隔振器試驗結(jié)果振動試驗表明，在相同負(fù)載和激勵下，外框架隔振器Z 向固有頻率低于12Hz ，并且隨著激勵加大，其固有頻率隨之降低。而X 、Y 向固有頻率接近100Hz ，可以近似認(rèn)為X 、Y 向為剛體，即外框架只能夠在Z 向?qū)崿F(xiàn)對振動的隔離，并且繞X 、Y 、Z 不能旋轉(zhuǎn)，沿X 、Y 向不能移動。圖7為Z 向振動試驗圖譜。圖8為X 、Y 向振動圖譜。內(nèi)框架隔振器能夠隔離X 、Y 向振動，Z 向受限制，圖9是內(nèi)框架隔振器X 、Y 向振動圖譜。圖10是Z 向振動圖譜。由圖可知，X 、Y 向固有頻率小

11、于17Hz ，可以隔離24Hz 以上振動。由于金屬橡膠隔振墊具有剛度減軟特性，激勵加大，固有頻率會降低，基本可以滿足隔離20Hz 以上振動的要求。而Z 向固有頻率接近100Hz ，近似為剛體。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)框架隔振器不能繞X 、Y 、Z 向旋轉(zhuǎn)和Z 向移動。內(nèi)外框架隔振器組合后，光電吊艙和載體基準(zhǔn)間尚有微小轉(zhuǎn)動變化，其絕對值大小取決于隔振器內(nèi)導(dǎo)柱和基座的配合間隙和被限制方向的剛度，以及隔振器之間的分布距離。工程應(yīng)用上可以按照實 際需要加以約束。X 、Y 、Z 載機(jī)坐標(biāo)系；X' 、Y' 、Z' 隔振器旋轉(zhuǎn)后的平臺坐標(biāo)系圖3隔振器變形后引起的平臺坐標(biāo)系與載機(jī)坐標(biāo)系的偏轉(zhuǎn)F

12、ig.3Position revolution between aerocrafet and turret長春理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）2009年540圖11是光電吊艙未加隔振器和內(nèi)外框架加裝隔振器航拍攝圖像比較圖，因為航路設(shè)計的原因，圖像內(nèi)容不一致。從圖中可以看到，經(jīng)過隔振器對振動衰減后，視頻圖像改善明顯，隔振效果得到了驗證。 無隔振器時光電內(nèi)外框架加裝隔振器后吊艙航空拍圖光電吊艙航拍圖圖11未加隔振器和加裝隔振器后光電吊艙航拍圖像比較Fig.11Comparisons of acfophotography of the photoelectricturret with danmper an

13、d no damper5結(jié)論提出一種適合多框架光電吊艙的隔振方法，采用金屬橡膠隔振器作為隔振元件，通過內(nèi)外組合的隔振方式，可以有效隔離外部高于20Hz 的中高頻振動，與陀螺儀組合后可以實現(xiàn)在全振動頻譜范圍內(nèi)對視頻圖像視軸的穩(wěn)定。方案在設(shè)計原理上實現(xiàn)了對光電平臺隔振器轉(zhuǎn)動的隔離，實現(xiàn)了微小轉(zhuǎn)動變化，解決了機(jī)載跟蹤測量設(shè)備隔振和精確測量二者的矛盾。試驗表明，采用金屬橡膠隔振墊制成的隔振器，組合后角變形在系統(tǒng)變形許可范圍內(nèi)，產(chǎn)生的測量誤差在可接受范圍之內(nèi)。由于充分利用了吊艙結(jié)構(gòu)，隔振系統(tǒng)不增加體積，重量的增加也很小，因此具有實際工程應(yīng)用價值。本文從隔振器隔振方式上論述了減小光電吊艙轉(zhuǎn)動的方法，對內(nèi)外隔振器的試驗驗證了方式的正確性，飛行試驗表明隔振器對光電吊艙成像像質(zhì)提高明顯。但光電吊艙在實