機(jī)載多框架光電吊艙無轉(zhuǎn)角隔振方式設(shè)計(jì)_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(jì)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(dòng)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(dòng)。通過對隔振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使隔振器按照X 、Y 、Z 向平動(dòng)，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(dòng)是隨機(jī)而復(fù)雜的。相對于線振動(dòng)，一定頻率的角振動(dòng)會(huì)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(jì)算表明，線振動(dòng)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(jì)，并且傳遞函數(shù)很高；角振動(dòng)影響卻非常大，傳遞函數(shù)很低；振幅的角振動(dòng)(30" 產(chǎn)生的像移是線振動(dòng)振幅為lmm 時(shí)產(chǎn)生像移的436倍。因此角振動(dòng)對成像質(zhì)量的影響比線振動(dòng)大得多1。不僅如此，振動(dòng)引起的隔振器轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)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(dòng)帶來的視頻圖像的像移，獲得清晰穩(wěn)定的實(shí)時(shí)圖像，工程上通常采用主動(dòng)隔振和被動(dòng)隔振組合的方式對振動(dòng)進(jìn)行隔離，對低頻，采用陀螺儀實(shí)時(shí)敏感并糾正載體的姿態(tài)變化，可以實(shí)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(dòng)，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(dòng)就不能依靠主動(dòng)隔振的方式進(jìn)行隔離。實(shí)際上20Hz 以上的角振動(dòng)同樣會(huì)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(dòng)。通常采用隔振器來實(shí)現(xiàn)這一功能。隔振器的作用

4、等效于一個(gè)低通濾波器，理想的隔振器是將X 、Y 、Z 三個(gè)方向上20Hz 以上的振動(dòng)全部隔離，并且隔振器三個(gè)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(xiàng)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(dòng)、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(dòng)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(shí)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(dòng)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(jì)時(shí)一般都會(huì)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(huì)減小隔振器誤差，但減小效果并不明顯。實(shí)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?yàn)橹亓枯^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(dòng)。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(shí)，風(fēng)洞試驗(yàn)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(huì)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(gè)矛盾過程。3多框架光電吊艙隔振設(shè)計(jì)為提高光電吊艙的視軸穩(wěn)定精度，同時(shí)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(jì)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(diǎn)是可以有效隔離風(fēng)阻力對光軸穩(wěn)定的影響，實(shí)現(xiàn)粗、精穩(wěn)定結(jié)合，提高視軸穩(wěn)定精度，實(shí)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(dòng)、并且在各個(gè)方向均能有效隔離振動(dòng)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(shí)際是基座隔振器，光電吊艙整體坐

8、在四個(gè)均勻分布的隔振器上，外隔振器安裝在飛機(jī)上，實(shí)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(dòng)，X 、Y 自由度被限制，繞X 、Y 、Z 向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也同時(shí)被限制。內(nèi)框架隔振器隔離X 、Y 方向的振動(dòng)，Z 向自由度被限制，繞X 、Y 、Z 向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也同時(shí)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(dòng)，隔振器的能量轉(zhuǎn)化過程只能通過直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橛善絼?dòng)產(chǎn)生的位移矢量在一個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，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(jì)。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(lì)的加大，其固有頻率會(huì)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(dòng)試驗(yàn)評估隔振器隔振效果，由振動(dòng)理論可知，隔振器所能隔離的振動(dòng)頻率要大于其自身固有頻率的2倍，因此可以計(jì)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(yàn)結(jié)果振動(dòng)試驗(yàn)表明，在相同負(fù)載和激勵(lì)下，外框架隔振器Z 向固有頻率低于12Hz ，并且隨著激勵(lì)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?yàn)閯傮w，即外框架只能夠在Z 向?qū)崿F(xiàn)對振動(dòng)的隔離，并且繞X 、Y 、Z 不能旋轉(zhuǎn)，沿X 、Y 向不能移動(dòng)。圖7為Z 向振動(dòng)試驗(yàn)圖譜。圖8為X 、Y 向振動(dòng)圖譜。內(nèi)框架隔振器能夠隔離X 、Y 向振動(dòng)，Z 向受限制，圖9是內(nèi)框架隔振器X 、Y 向振動(dòng)圖譜。圖10是Z 向振動(dòng)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(dòng)。由于金屬橡膠隔振墊具有剛度減軟特性，激勵(lì)加大，固有頻率會(huì)降低，基本可以滿足隔離20Hz 以上振動(dòng)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(jì)，內(nèi)框架隔振器不能繞X 、Y 、Z 向旋轉(zhuǎn)和Z 向移動(dòng)。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(dòng)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(shí) 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(bào)（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?yàn)楹铰吩O(shè)計(jì)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(dòng)衰減后，視頻圖像改善明顯，隔振效果得到了驗(yàn)證。 無隔振器時(shí)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(dòng)，與陀螺儀組合后可以實(shí)現(xiàn)在全振動(dòng)頻譜范圍內(nèi)對視頻圖像視軸的穩(wěn)定。方案在設(shè)計(jì)原理上實(shí)現(xiàn)了對光電平臺隔振器轉(zhuǎn)動(dòng)的隔離，實(shí)現(xiàn)了微小轉(zhuǎn)動(dòng)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(yàn)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(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。本文從隔振器隔振方式上論述了減小光電吊艙轉(zhuǎn)動(dòng)的方法，對內(nèi)外隔振器的試驗(yàn)驗(yàn)證了方式的正確性，飛行試驗(yàn)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(shí)