多旋翼無人機自振動噪聲影響消除的探討

廖景威

（廣州市機電技師學(xué)院機電裝備系，廣州 510080）

0 引言

隨著多旋翼無人機被廣泛用于農(nóng)林業(yè)的植保、航拍、高壓電塔故障巡線、環(huán)境督查、無人機巡航、場地選址、建設(shè)勘察等，占據(jù)無人機應(yīng)用領(lǐng)域的98.6%［1］的大勢，對多旋翼無人機傳感器的精密控制有很大的需求。

在無人機教學(xué)的過程中發(fā)現(xiàn)： （1）普通的多旋翼無人機，想獲得高精準(zhǔn)的操控確實是一個難點，原因是多旋翼無人機在飛行過程中，旋翼旋轉(zhuǎn)時造成自振動噪聲對控制傳感器會造成干擾；（2）多旋翼無人機，在航拍時旋翼旋轉(zhuǎn)的自振動噪聲使航拍畫面質(zhì)量也欠清晰。

無人機系統(tǒng)在微小型化過程中，對控制傳感器精度的要求也越高，如何降低多旋翼自振動噪聲對控制傳感器造成的干擾，提高多旋翼無人機操控的精準(zhǔn)度，提高航拍畫面質(zhì)量是本研究的主題。

經(jīng)過多方面研究和大量的實驗發(fā)現(xiàn)，采用壓電陶瓷振子與主動噪聲控制技術(shù)，可以有效減輕多旋翼無人機自振噪聲對控制傳感器的干擾。

1 多旋翼無人機自振動噪聲

1.1 多旋翼無人機的組成

（1）機架。消費級無人機多以塑料或碳纖維材料制作，如圖1所示，而工業(yè)級無人機除使用碳纖維材料外，也有相當(dāng)一部分使用高級合金制作［2］。

（2）動力裝置。整個動力系統(tǒng)由電池提供動力能源，電子調(diào)速器作為動力的控制模塊，連接著飛行控制系統(tǒng)與動力系統(tǒng)，再通過無刷電機或有刷電機進行能量轉(zhuǎn)換，最后由螺旋槳產(chǎn)生的推力來驅(qū)動整臺無人機。

圖1 碳纖維板機架

圖2 飛行控制系統(tǒng)（帶減振座）

（3）飛行控制系統(tǒng)。陀螺儀、加速度計、氣壓計、GPS及指南針模塊等傳感器與控制電路共同組成了多旋翼無人機的飛行控制系統(tǒng)，如圖2所示。飛行控制系統(tǒng)會根據(jù)傳感器收到的信息反饋電子調(diào)速器，令其調(diào)節(jié)各個電機的轉(zhuǎn)速，從而自動地調(diào)整無人機的姿態(tài)與運動狀態(tài)。

（4）遙控系統(tǒng)。將控制信息輸入無人機的飛行控制系統(tǒng)，從而人為地調(diào)整無人機的姿態(tài)與運動狀態(tài)。使用遙控器對多旋翼無人機進行操控，其工作原理如圖3所示。

遙控器將控制信號發(fā)送到接收機，經(jīng)由接收機轉(zhuǎn)碼后將控制信息輸入飛行控制電路，同時，來自陀螺儀、加速度計、GPS等傳感器所偵測到的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)也一并傳入飛行控制電路。飛行控制電路根據(jù)輸入的信息運算得出需要調(diào)節(jié)的電學(xué)量，輸入電子調(diào)速器，以控制各個電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)整無人機的飛行狀態(tài)。

圖3 多旋翼無人機控制原理

1.2 多旋翼無人機振動噪聲

小型或微型的無人機系統(tǒng)對飛行過程中的控制誤差相當(dāng)敏感，在多旋翼無人機飛行的過程中，主要由電機與螺旋槳產(chǎn)生的自振無法避免，從而使飛行控制傳感器如陀螺儀、加速度計、角速度計等錄入大量噪聲信號，如圖4所示。圖中，橫坐標(biāo)表示時間，縱坐標(biāo)表示無人機受到的加速度大小，以重力加速度g的倍數(shù)表示。方向x表示左右，y表示前后，z表示上下，正負(fù)根據(jù)加速度計安裝方向而定，設(shè)定的是以向左、向前、向上為正。

圖4 機載加速度計信號曲線

由圖可以看出，在對機載加速度計的動態(tài)偵測中，除了能夠看出明顯的主動調(diào)整的動作以外，相對高頻的抖動一直存在于加速度計的信號中。理想的加速度計信號曲線應(yīng)是光滑的沒有寬度的曲線，多旋翼無人機即便是在懸停時，由電機與螺旋槳產(chǎn)生自振也一直影響著控制傳感器獲取的數(shù)據(jù)，由于無人機自振動的干擾，使加速度計信號曲線產(chǎn)生了一定的線寬，一些微小的調(diào)整可能會被自振動噪聲淹沒。

對于多旋翼無人機，電機與螺旋槳是其唯一的動力來源，亦是其自振動的主要產(chǎn)生者。就單個螺旋槳來說，其產(chǎn)生的振動頻率為：

式中：n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，r／min；Z為螺旋槳的槳葉數(shù)。

由于無人機飛行時始終處于三維空間內(nèi)，其自振動噪聲也是空間中3個方向的波的疊加。因此，在研究時，先將其正交化，對于空間中單個方向的自振動，寫成多次簡諧波疊加的形式：

2 自振動噪聲干擾消除

2.1 壓電陶瓷振子

壓電陶瓷是當(dāng)下國際市場競爭較為活躍的高科技新型材料之一，被廣泛應(yīng)用于各類高科技領(lǐng)域如激光通信、衛(wèi)星導(dǎo)航定位以及生物技術(shù)等。壓電陶瓷在現(xiàn)代功能陶瓷中有著舉足輕重的地位，用途十分廣泛。壓電陶瓷振子本身屬于能量轉(zhuǎn)換器，它能夠使電能轉(zhuǎn)化為機械能或者使機械能轉(zhuǎn)化為電能，并具有響應(yīng)速度快、動作幅度小、工作頻帶寬等特點，比較適合作為偵測并獲取振動信息的傳感器［3］。

壓電陶瓷振子主要的振動模式有7種，如圖5所示。

圖5 壓電陶瓷振子主要振動模式

壓電陶瓷在工作過程中往往會是多種振動模式的復(fù)雜耦合，而這里主要目的是利用其最常用到的厚度伸縮振動模式，同時需要抑制復(fù)雜耦合的發(fā)生。而厚度伸縮型振動的工作條件要求振子邊長或直徑遠(yuǎn)大于其厚度，最低要求壓電振子邊長或直徑達(dá)到厚度10倍以上。由于整個振動檢測部分會接收到來自不同方向的振動波，因此為了得到比較好的方向性，以免除復(fù)雜耦合振動的干擾，則應(yīng)使邊長或直徑與厚度之比在50倍左右。使薄形矩形片壓電陶瓷振子能夠沿厚度方向極化，以利用其檢測振動方向沿厚度方向的自振動信號，如圖6所示。

圖6 壓電陶瓷振子規(guī)格

圖7 三維平衡夾具模型及爆炸示意圖

設(shè)計的壓電片規(guī)格為5 mm×3 mm×0.1 mm，基本達(dá)到其方向性要求。壓電陶瓷振子的結(jié)構(gòu)選用了懸臂加配重式作為自振動的偵測部分。使用定量的焊錫作為配重，極大增強了偵測機構(gòu)后期調(diào)整的靈活性，能夠方便地對壓電陶瓷振子的響應(yīng)速度與響應(yīng)強度作出調(diào)整。

為了得到3個正交方向的振動信號，需要將3個壓電陶瓷振子裝夾在3個方向上，且要求受到的初始壓力相等。為此設(shè)計了一個三維平衡夾具，如圖7所示。

利用正方體的3個正交面作為基準(zhǔn)，每個面開出一道深度為壓電陶瓷振子一半的溝槽，以固定振子減輕單個振子受到其他方向耦合振動的影響，再加上正方體的另一部分，以螺絲壓緊。這樣就保證了3個方向的壓電陶瓷振子受到的初始壓力平衡，且能夠通過調(diào)節(jié)螺絲的松緊改變壓電陶瓷振子的初始直流輸出。在內(nèi)外夾具上附上電極，其中內(nèi)夾具上的是公共地端，而外夾具上則是3個正極端。

使用3D打印技術(shù)，制作三維平衡夾具的內(nèi)外夾具，由于PLA材料打印出的零件強度較低，裝夾效果不好，為了獲得較好的裝夾效果，采用了光固化光敏樹脂制作夾具。

2.2 主動噪聲控制

主動噪聲控制技術(shù)（Active Noise Control，ANC）又稱有源降噪技術(shù)［4］。

利用與包含信息的一次聲源同一空間環(huán)境下取得的實時噪音源作為二次聲源，處理得到與一次聲源中幅值相等，相位相反的信號，并與一次聲源進行疊加，令其達(dá)到消減噪音的目的［5－6］。如圖8 所示。

圖8 主動噪聲控制原理

信號源x（n）與參考源y（n）均來自于環(huán)境聲，參考源y（n）經(jīng)過自適應(yīng)濾波器處理后反相，并且與信號源x（n）疊加，最終得到被降噪的信號s（n）。如圖9所示。這樣，能夠降低傳感器信號中的自振動噪聲的干擾，優(yōu)化飛行控制系統(tǒng)。

圖9 基于無人機的主動噪聲控制

由圖可知，多旋翼無人機的控制信號主要分為兩大類，一是包含陀螺儀、加速度計、GPS等傳感器數(shù)據(jù)的自主穩(wěn)定控制信號x（n），另一類是由遙控器控制信號或程序自動控制信號組成的主動控制信號k（n）。其中傳感器自動穩(wěn)定控制信號x（n）中包含有影響飛行控制判決的自振動噪聲，需要應(yīng)用主動噪聲控制濾除這部分自振動噪聲。

由于壓電陶瓷振子輸出信號強度較小，需要經(jīng)過放大才能為后續(xù)處理所用，因此設(shè)計了一個可調(diào)比例運算放大電路，如圖10所示。選用OPA2134高保真精密音頻運算放大器，減少壓電陶瓷振子信號失真，保證主動噪聲控制的效果。

圖10 可調(diào)比例運算放大電路

選用OPA2134的另一個重要原因是，其在同系列高保真音頻放大器中轉(zhuǎn)換速率比較高，對高頻的信號處理也不會產(chǎn)生太大的延遲。設(shè)計成可調(diào)比例的運算放大電路，是為了增強整個系統(tǒng)的普適性，方便后期調(diào)校。

將經(jīng)過運算放大電路處理過的無人機自振動信號，以及傳感器輸出的姿態(tài)信號共同輸入到主動噪聲控制模塊，如圖11所示。

圖11 會聽聲學(xué)主動噪聲控制模塊

由于自振動信號是經(jīng)由反相放大輸出，而主動噪聲控制模塊已經(jīng)集成有反相疊加電路，因此輸入時需要反相輸入。經(jīng)過降噪模塊后，輸出的信號傳入無人機飛行控制系統(tǒng)上原傳感器的輸入位置，取代原傳感器帶有自振動噪聲的控制信號，降低自振動噪聲對飛行控制系統(tǒng)的影響。

圖12所示為降噪后信號曲線，對比降噪前信號曲線（圖4）可以看到，經(jīng)過主動噪聲控制后，圖12中的加速度計信號曲線線寬明顯變窄，有效削減無人機自振動噪聲近50%，在操控上，自穩(wěn)飛行懸停的漂移與擺動幅度減輕20%～30%。

圖12 降噪后機載加速度計信號曲線對比

3 壓電陶瓷振子應(yīng)用的拓展

3.1 影像穩(wěn)定系統(tǒng)

目前市面上消費級多旋翼無人機，航拍攝像頭幾乎都為標(biāo)準(zhǔn)配置。飛行過程中的自振動對影像系統(tǒng)的影響也是不可避免的。較棘手的問題則是“果凍”現(xiàn)象，指的是航拍時由于振動導(dǎo)致畫面錯開，使拍攝畫面呈現(xiàn)出果凍振動一般的扭曲。果凍現(xiàn)象在多個條件同時達(dá)成時，會使果凍現(xiàn)象更為明顯。為提高質(zhì)量視頻拍攝質(zhì)量，采用了以下幾個辦法。

（1）選擇攝錄機的成像元件從CCD改換為CMOS［7］。因當(dāng)攝錄機在抖動的時候，CMOS也跟著不斷地抖動，從而達(dá)成相對同步，這樣拍出的畫面會清晰很多。

（2）云臺加裝橡膠減震球。處理果凍現(xiàn)象要注意從源頭上下功夫，首先在安裝無人機時要注意對螺旋槳與電機調(diào)平衡，以減輕自振動。然后，攝像頭云臺上加裝橡膠減震球［8］，以隔離高頻振動，如圖13所示。物理方法處理只能減輕其果凍現(xiàn)象，并不能完全消除。

（3）應(yīng)用壓電陶瓷振子的三維自振動偵測結(jié)構(gòu)消除果凍現(xiàn)象。在獲得無人機飛行時自振動的信息后，通過兩種途徑對果凍現(xiàn)象進行處理。一是純軟件運算，對實時的自振動數(shù)據(jù)進行分析，應(yīng)用壓電陶瓷振子與主動噪聲控制技術(shù)相結(jié)合，對圖像像素信息進行處理，將帶有果凍現(xiàn)象的扭曲畫面還原為正常的畫面。二是硬件影像防抖技術(shù)，影像防抖技術(shù)包含電子影像防抖與光學(xué)成像防抖，前者是通過移動感光元件進行抖動消除，而后者則是通過移動鏡片組對抖動進行消除。兩者皆與主動噪聲控制原理相通。利用獲得的自振動信息，與影像防抖技術(shù)結(jié)合，解決果凍現(xiàn)象。

圖13 無人機減振云臺

3.2 錄音干擾處理

多旋翼無人機飛行時噪聲比較大，使得無人機航拍一直以來均是靜音拍攝。無人機錄音技術(shù)長期處于空白的狀態(tài)。然而，應(yīng)用壓電陶瓷振子與主動噪聲控制技術(shù)相結(jié)合，對空間噪聲與無人機自振動產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲進行有效的抑制，使無人機錄音技術(shù)達(dá)到較好的效果。適應(yīng)當(dāng)下火熱的自拍、直播的風(fēng)潮。

4 結(jié)束語

壓電陶瓷振子的三維振動偵測機構(gòu)，對多旋翼無人機飛行時的自振動進行偵測，獲取振動的信號，對原傳感器信號進行主動噪聲消除，有效削減無人機自振動噪聲近50%，在操控上，自穩(wěn)飛行懸停的漂移與擺動幅度減輕20%～30%。從而實現(xiàn)更精確、更穩(wěn)定的飛行控制。同時，本設(shè)計還提出解決無人機航拍時產(chǎn)生的果凍現(xiàn)象的新思路，也發(fā)掘了無人機減噪錄音實現(xiàn)的可能性。

必須指出，這個方法雖然基本能有效抑制自振動噪聲的干擾，但不能完全消除，可能是因為參考源信號的延遲或者波形不吻合，使降噪效果打了折扣。要實現(xiàn)完全消除自振動噪聲的影響，還有待進一步探索。展望日后整個偵測與降噪機構(gòu)輕量化、小型化與集成電路化，使多旋翼無人機控制和應(yīng)用系統(tǒng)更精準(zhǔn)、更優(yōu)化。