輕小型三線陣航攝儀擺掃機構系統設計

孫寶玉， 郭訓薇， 姜振海,3， 黃煒祺， 王超

（1.長春工業大學機電工程學院，長春130012；2.長光衛星技術有限公司，長春130012；3.南京華群光電技術有限公司，南京210012）

0 引 言

擺掃機構是擺掃航攝儀的部分產品，寬幅擺掃相機通過擺掃機構能夠使光學載荷沿單軸實現特定角度的間歇擺掃運動和穩定成像，在垂直于航向的方向的多個位置進行穩定成像，并保證重疊率，通過后期拼接獲得一幅完整的高分辨率圖像，最終獲得垂直和斜拍測圖產品。

目前，國內對大幅寬、高分辨率[1]的成像需求越來越大，但是我國現有的航空相機無論是從性能水平，還是自主研發能力，都與西方發達國家存在著較大的差距。能夠實現較大幅寬覆蓋的成像設備，其分辨率往往較低，而可以實現高分辨率成像的設備往往又兼顧不了寬幅成像的任務需求。國內雖逐漸開展了對擺掃[2]相機的研制工作，但是無法保證精度的同時實現輕小型化設計[3-4]，無法搭載于輕小型無人機[5]上應用，并且在國內市面上沒有相對成熟的商業化產品。近年來，面陣擺掃[6]航空相機的出現，使得一次飛行可以獲取多種影像產品，有力地提高了航空遙感的效率[7]，其中VisionMap公司A3相機是新一代的步進分幅成像產品[8]，利用擺掃機構在垂直于航向的方向多個不同位置成多幅圖像，可在一次飛行中同時獲取高分辨率的垂直和斜拍測圖產品；此外，Simplex mapping solutions公司的CaMundo相機的體積/質量為12 L/3 kg，也是目前應用較廣泛的航拍儀之一。但這兩款主流三線陣航攝儀均存在體積大、質量大、時效性差、操作復雜等缺點。本文提出的三線陣航攝儀通過前視、中視、后視等3個視角的線陣推掃成像，由具有一定交會角度的陣列CCD（Charge Coupled Device）[9-10]組成，通過3個線陣列獲取影像，從而實現同軌道立體成像，有效提高立體測繪精度，并且提高了多光譜成像的擴展能力，在影像質量和數據生產效率方面有明顯的優勢。通過比較分析，三線陣航攝儀質量控制在12 kg以內，具有明顯優勢，總體結構分為商用鏡頭、擺掃機構、光電成像組件、相機標定檢校、數據處理系統等5部分，其中擺掃機構質量控制在1500 g以內。由于無人機平臺具有輕小、靈活及姿態快速調整的特點，體積、質量過大將對其作業效率、巡航速度、續航時間等方面產生不利影響。因此，航攝儀的輕小型化研究已經成為無人機系統廣泛應用的前提條件。

為了滿足市場需求，本文將重點研究輕小型三線陣航攝儀擺掃機構系統[11]設計，實現系統在測繪遙感領域中的規模化應用。提出了輕小型三線陣航攝儀擺掃系統的總體方案，給出了航攝儀的指標體系和結構布局，并進行了模態分析和關鍵技術研究。

1 三線陣航攝儀擺掃機構總體設計方案

擺掃機構系統由擺掃機構單軸框架、傳感器、定位限位系統、驅動系統、控制電路、電動機等組成，擺掃機構系統組成及總體布局如圖1所示。在本文中，結合整體設計目標，擬將擺掃相機搭載在無人機的系統上，使兩者有效地配合工作，將無人機航攝系統機動靈活、圖像獲取精度高、密度高、性價比高的優勢得以充分發揮。無人機機腹下方吊裝擺掃機構，主要部件包括驅動電動機、舵機、編碼器、相機、俯仰框架、外部框架等。外部框架與飛機轉接板相連，飛機轉接板預留接口，通過減震器與飛機機體相連；擺掃框架采用直流力矩電動機直驅的方式驅動其轉動，高精度編碼器實現閉環控制，并設置鎖緊機構和限位機構。擺掃機構與機身安裝的相對位置關系如圖2所示。根據無人機對于外部載荷安全尺寸的要求，機腹下方長度不得超過190 mm，現設計為擺掃機構在擺掃角-70°狀態下鎖死，機腹下方尺寸為177 mm。根據擺掃航攝儀的功能要求與技術指標，擺掃機構結構質量不超 過 3 kg，擺掃機構整體結構第一階模態不小于165 Hz。

圖1 寬幅擺掃相機整體布局示意圖

2 擺掃機構結構力學特性分析

2.1 擺掃機構有限元分析模型

為了確保有限元分析的準確性，按照如下建模原則進行擺掃機構有限元模型的建立：1）模型簡化。為了方便進行網格劃分和分析工作，將電動機、載荷、編碼器和陀螺視為等效質量處理，載體安裝轉接件、外框架、載荷安裝轉動架和電路板封裝組成等進行細節簡化處理。2）減震器簡化。由于減震器的材料為橡膠，因此在建立減震器有限元模型時將減震器三維模型導入有限元軟件，并賦橡膠材料屬性為：彈性模量為12 MPa，泊松比為0.48，密度為0.8×103kg/m3。3）連接等效。為了方便進行網格劃分和分析工作，連接處采用的共節點連接方式。4）載荷等效。有限元分析的邊界條件、載荷等盡量與實際工作狀態狀態保持一致。

擺掃機構的實際工作狀態可分為3種：彈射極限工況（水平方向承受8g過載）；滑跑起飛和降落工況（3個方向承受3g過載）；應急傘降工況（豎直方向承受5g過載）。

擺掃機構的邊界條件：1）擺掃機構結構力學特性分析。考慮無減震器時的邊界條件，擺掃機構通過4個減震器將載體安裝轉接件安裝在飛機上，邊界條件為在減震器安裝的4個孔處固定約束。2）擺掃機構整體力學特性分析。考慮有減震器時的邊界條件，擺掃機構通過4個減震器將載體安裝轉接件安裝在飛機上，根據減震器安裝的實際情況，邊界條件為在減震器上下表面處固定約束。

擺掃機構有限元分析利用Workbench軟件進行有限元建模，根據圖1對應的三維幾何模型建立了擺掃機構的有限元模型，擺掃機構整體材料選用2A12，彈性模量為71 GPa，抗拉強度為390 MPa。

圖2 擺掃機構與機身安裝的相對位置關系

2.2 模態分析

根據無人機的實際振動情況和《HB 5830.15-1996機載設備環境條件及試驗方法 外掛振動》標準對螺旋槳固定翼無人機的有關規定，確定擺掃機構的振動條件和振動試驗輸入條件如圖3所示。分析了擺掃機構結構約束模態分析前6階固有頻率，如表1所示。

圖3 無人機隨機振動輸入功率譜密度

表1 擺掃機構整機模態分析結果

從擺掃機構整機模態分析的結果看，第1階固有頻率為168.85 Hz而擺掃機構正常工作時無人機第1階激振頻率為92.5 Hz，第2階激振頻率為185 Hz，因此滿足系統指標的要求。

在有減震器的狀態下，進行擺掃機構整體約束模態分析，前6階固有頻率如表2所示。

表2 有減震器時擺掃機構結構模態分析結果

無人機巡航階段第1階激振頻率為92.5 Hz，從圖2的分析結果可知，擺掃機構整體模態分析的前3階模態陣型為Y平動、X平動和Z平動，頻率分別為49.6、51.5、52.0 Hz；因此擺掃機構固有頻率避開了振源激振頻率，且激振頻率大于固有頻率的倍。

2.3 靜力學分析

根據擺掃機構的實際工作環境條件，對擺掃機構進行結構靜力學分析，分別包括彈射極限工況（8g的水平過載）、滑跑起飛和降落工況（3g豎直過載）、應急傘降工況（5g豎直過載），分析結果如表3所示。

表3 靜力學分析結果

從靜力學分析的結果可知，水平8g過載時的變形最大，其最大變形為0.09 mm，不會發生永久變形；水平8g過載時產生的應力最大，其最大應力發生在減震器和減震器安裝板連接處（為12.9 MPa），小于鋁合金（2A12）的抗拉強度390 MPa。

在有減震器的狀態下，進行擺掃機構的整體靜力學分析，分別包括彈射極限工況（8g的水平過載）、滑跑起飛和降落工況（3g豎直過載）、應急傘降工況（5g豎直過載），分析結果如表4所示。

表4 靜力學分析結果

從靜力學分析的結果可知，水平8g過載時的變形最大，其最大變形為1.03 mm，不會發生永久變形；水平8g過載時產生的應力最大，其最大應力發生在減震器和減震器安裝板連接處（為17.69 MPa），小于鋁合金（2A12）的抗拉強度390 MPa。

2.4 隨機振動分析

在無減震器的狀態下，根據上述隨機振動輸入功率譜密度，分別將振動方向設置為Z 向和Y向。獲得機載振動環境下的擺掃機構的最大應力和最大變形結果如圖4所示。

圖4 無減震器時隨機振動分析結果

從擺掃機構隨機振動分析可知，擺掃機構的最大應力為30.07 MPa（3σ），最大變形為0.23 mm（3σ），滿足總體指標對變形和應力的要求。

在有減震器的狀態下，根據上述隨機振動輸入功率譜密度，分別將振動方向設置為Z 向和Y向。獲得機載振動環境下的擺掃機構的最大應力和最大變形結果如圖5所示。

圖5 有減震器時隨機振動分析結果

從擺掃機構隨機振動分析可知，擺掃機構的最大應力為62.35 MPa（3σ），最大變形為0.25 mm（3σ），滿足總體指標對變形和應力的要求。

3 結 論

本文設計了一款輕小型三線陣航攝儀擺掃機構，采用有限元方法分析了有無減震器時擺掃機構的結構力學特性。結果表明：擺掃機構的固有頻率能滿足使用需求，過載時擺掃機構最大應力滿足強度要求；機載振動環境下的擺掃機構的最大應力和最大變形滿足要求。