光电平台框架结构减振特性设计分析

薛朋  赵睿  高爱叶

摘要：讲述了光学稳定平台结构设计特性，讲述了机械谐振频率对设备的重要性，强调设定支撑筋和减重孔是机械谐振频率的有效手段。此外，结构合理布局尽可能紧密，重量大一点的构件接近旋转轴线减少惯性力矩，也有助于机械固有频率。对于传统式光学平台结构的重量较大、可靠性不太理想，稳重制定了一种中小型两轴光学平台，阐述了其架构主体结构的多形式特性，找出了平台易共震的薄弱点，对平台进行了减振功能优化设计方案。

关键词：广电平台；减振特性；设计分析

一、引言

光电侦察稳定平台是航空侦察的主要设备之一，可以在迅速捕捉、跟踪和收集运动目标。光学平台是获得外界信息的主要构件，其稳定性能直接关系获得图象信息的实时同步效果。伴随着无人飞机技术发展，光学平台有关技术的研究与应用也变得越来越获得重视，广泛用于航空远洋航行、国防、警用装备、民用设备、农牧业等行业。但传统式光学平台体积重量大，构造稳定性能不理想，严重制约了无人机系统的高速发展。

文中制定了一种中小型两轴光学平台，对其自身的震动特性展开了深入分析科学研究，达到最理想的平稳实际效果。光学平台构造关键从内框架、俯仰轴、主机架、方位轴和基座等组成。当光学式平台底座固定于载置台上时，平台可以绕方位轴开展方位转动，内框架可以绕俯仰轴开展俯仰的转动[1]。

二、现有平台系统的分析

第一个方案为双轴二框架结构。在空中侦查平台上，双轴式、两个机架的设计和应用最为广泛，技术也比较成熟。该方法是将光电传感器等探测装置放置在由俯仰和方位两个坐标轴构成的垂直平台上，利用陀螺灵敏平台的相对惯性进行空间移动，再由陀螺稳定环驱动坐标系力矩电机，以消除外部扰动力矩，实现系统的稳定。该双构架稳定系统是目前国际上较为成熟和常用的稳定设备，在小载荷高精度稳定方面表现出了很好的效果。由于电子侦察技术和装备的不断进步，目前主要由电视、红外和激光等构成的侦察装置，由于其负荷越来越大，各种不利的干扰瞬间也随之增大。以现有双机架平台的设计与制造技术，很难实现微弧尺度的稳态精度。

第二类为三框架三轴稳定平台系统。三框架三轴稳定平台指的是具有方位、俯仰和横滚三个自由度的系统，它是在两轴两框架的基础上加上一条横滚轴，用来补偿因飞行器姿态改变而导致的视场角的转动，从而使得它的光电探测和成像不会受到飞行器随机摇摆干扰的干扰，从而达到对惯性坐标系的稳定，也就是所谓的“捷联三轴稳定控制”。

第三个方案为四框架二轴稳定平台系统。四轴两轴光电稳定平台由内外框架、光电轴角编码器、导电环及致动器等构成，在目标捕捉与跟踪时，起到了改变视距、保持视距及保持视距的作用。所述的内环框架包括一个内纵梁和一个内定向框架，所述的外环框架包括一个外纵梁和一个外定向框架。外环构架主要用来解决内环构架固定平台上的探测装置在高速飞行时受到的风阻力矩的作用，确保探测装置的追踪与成像品质满足整体技术指标的需求；内环构架又是内环构架的支承平台，其瞄准线一直被固定在探测装置前的视点上，从而提升探测装置的定位精度[2]。

四框架二轴稳定平台系统具有以下特征：

1.内圈框架的两个框架在任何时候都是垂直的，减小了几何耦合度，所以具有良好的移动隔离性，容易提升精度，也能避免在大角移动或高仰角时，圈框架的自锁，以及在视距与朝向轴线相平行时所产生的影响；

2.由于内环路和外环路的控制电路是相互独立的，彼此之间没有任何的干扰，所以容易实现对它们的控制；

3.如果将内部环形框架配置为均衡，则可以使得电动机的负荷极低，从而可以增大系统的频带宽度，提高系统的精确性；

4.可以直接探测和探测载机下面和周围的目标，增加有效的追踪距离。为此，本项目提出了四机架两轴系统，不仅能解决两机架系统存在的大角稳定性问题，而且能解决三机架无法实现的问题。

三、有限元分析

本课题拟从两方面进行研究。(1)以最大限度地减小光系统的偏差，尽可能地增加光系统的稳态精度。(2)根据转速环路的带宽需求，将稳定器结构的共振频率调整到最大值，保证了稳定器的动力反应及控制系统能够达到对稳定器的追踪及定位性能的需求。

(一)用振动法进行机械振动的频率计算。一般情况下，机械传动装置都有一个共振频率，甚至不止一个共振频率，当共振频率低于系统的带宽时，在一些共振频率下，还会对精密的光电传感器和合轴系统造成损害。当元件的自振频率与其所处的信号频率一致时，则会增大元件的振动，增加元件所受的荷载。这种膨胀还可能进一步扩散到任意两个元件之间，最终导致了系统的动力学行为，进而导致系统失稳。当其达到自振频率时，则会引起产品的振荡，虽然这种振荡并不影响体系的整体性能，但也会造成使用者的不便。事实上，这个信号可能是从外部来的，比如，风或者附近某个发动机的振动。结果显示，这种弹性变形的大小与机构的结构、尺寸、材质、载荷等因素密切相关。该装置具有大的惯性力矩和宽的工作频率，在运行时，传动轴会发生弹性扭动，从而使其传输性能呈现出高共振峰值，从而形成机械共振。通常，高刚性的目标必然会带来自身质量的提高，然而，对自身质量的要求十分苛刻，轻量化意味着有效载荷、飞行速度和飞行距离的提高，因此，无法对自身质量进行无限的增重。(二)   其原理是采用简单的有限元处理，将复杂的问题用有限的简单的单元表达出来，由有限的节点进行联接，再依据变形协调条件进行整体求解。这种方法采用了有限元方法。该算法具有很强的弹性，通过调整单元个数，其精度可以发生变化，从而获得更贴近实际的结果。通过软件，设计人员可以将零件的二维平面图转换为三维结构件图，之后，将设计零件的材料属性、载荷、支撑和约束等信息，并对其进行分析，再对其进行必要的选取，最后，进行求解，这时，计算机就会根据结构力学的有限元法进行计算，以数据、图表、图形的方式，将比较直观的结果输出出来，让我们可以比较完整地了解在一定的外力作用下，零件中应力、应变、变形、安全系数等的分布。

三、结论

建立一个数学模型和一个离散的有限元素模型，必然会带来一些错误：建立一个数学模型，将造成一个错误的模型。在此基础上，提出了一种新的计算方法。除此之外，因为各种软件的计算精度存在差异，在有限元法进行计算时，各种边界条件都会存在差异。因此，分析仅仅是一种参考，还需要经过实践的检验，但是它至少提供了一个依据，让设计能更好地找到方向，并以多快好省的原则来做好设计。本文将某光电稳定平台框架基座作为一个例子，对其进行了说明，并对其进行了说明。利用比较直观的图示结果，可以比较完整地了解在一定外力作用下，零件中应力、应变、变形、安全系数等的分布情况。进而，可以找到其中的薄弱环节和多余的部分，并有针对性地、有根据地对其进行改进。通过实例，证明了光电稳定平台框架结构工程分析是非常必要而且是切实可行的，这极大地缩短了设计周期，并获得了较好的效益。

总结：本文介绍了一种适用于小型无人飞行器的光电工作平台，其结构合理，工作稳定，在实际中有较高的实用价值。在对平台整机展开了静力学与动力学分析之后，还对其进行了减振的优化设计，从而得到了最优的平台结构与最优的减振方案。实验结果显示，平台的结构具有良好的动态特性，其减振效果显著，平台实现了更高的稳定精度。

参考文献：

[1]机载光电稳定平台框架结构工程分析.甘至宏等.光学精密工程.

[2]光电稳定平台框架结构探讨.薛丹.光机电信息.28（3）

[3]光电平台框架结构减振特性优化设计.田秀等.设计研发.2020（11）