張海娜，劉歡歡，蘇建華

（天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300458）

0 引言

光電吊艙是無人機(jī)常用的掛載設(shè)備，光電吊艙技術(shù)是無人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域中的重要組成部分，更是無人機(jī)偵察的核心裝備，光電吊艙可以搭載多種載荷作業(yè)，應(yīng)用于林業(yè)、交通、海上監(jiān)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域[1-3]。雙光載荷光電吊艙采用兩軸兩框架的結(jié)構(gòu)形式，配置可見光攝像機(jī)和紅外熱成像儀。通過陀螺穩(wěn)定平臺(tái)，有效隔離無人機(jī)的各種振動(dòng)、起伏和顛簸，使任務(wù)載荷在空間內(nèi)保持穩(wěn)定，消除圖像抖動(dòng)，滿足使用需求，本文從功能設(shè)計(jì)、系統(tǒng)組成及詳細(xì)設(shè)計(jì)方面對(duì)兩軸兩框架吊艙設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，為吊艙設(shè)計(jì)提供了一種方法和依據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

光電吊艙實(shí)現(xiàn)的主要功能要求如下：可對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行高清可見光攝像、紅外成像；能實(shí)時(shí)輸出可見光視頻和紅外原始視頻；能實(shí)時(shí)輸出吊艙相對(duì)載機(jī)的姿態(tài)參數(shù)和吊艙工作狀態(tài)等遙測(cè)信息；能夠?qū)崟r(shí)接收控制命令，完成傳感器切換、調(diào)焦、工作模式設(shè)定等相應(yīng)操作；紅外視頻圖像下傳到地面后，依據(jù)操作人員指定的目標(biāo)，吊艙能夠?qū)ζ溥M(jìn)行鎖定和自動(dòng)跟蹤；吊艙全部控制指令均可以通過軟件進(jìn)行控制，并且有狀態(tài)回報(bào)顯示。

1.2 系統(tǒng)組成

光電吊艙具體包括機(jī)械結(jié)構(gòu)組件、硬件及軟件、任務(wù)載荷和內(nèi)部元器件等部分。機(jī)械結(jié)構(gòu)組件中又包含方位框架、俯仰框架和減振器及支架等，硬件包含電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等，軟件主要包含了嵌入式的軟件和上位機(jī)操控軟件，內(nèi)部載荷包含了可見光攝像機(jī)和紅外成像儀，內(nèi)部的測(cè)角元件包含陀螺、旋轉(zhuǎn)變壓器，還有能保證方位框架360°旋轉(zhuǎn)的滑環(huán)等元器件，光電吊艙組成如圖1所示。方位基座位于最上方，內(nèi)部主要包含方位電動(dòng)機(jī)、方位旋變、導(dǎo)電滑環(huán)、軸承及連接結(jié)構(gòu)件，通過俯仰U形支架將方位基座與俯仰框架連接，俯仰U形支架兩側(cè)設(shè)計(jì)有俯仰電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、旋變及電源模塊等。俯仰球體內(nèi)部有可見光攝像機(jī)載荷、紅外成像儀載荷、伺服控制板、電源板、陀螺模塊及連接結(jié)構(gòu)組件。在方位電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)整個(gè)俯仰框架完成方位方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。俯仰電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)俯仰球體沿著俯仰方向回轉(zhuǎn)一定的角度。

圖1 光電吊艙組成圖

1.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光電吊艙采用兩軸兩框架結(jié)構(gòu)，主框架主要包括方位基座組件、俯仰支架和俯仰組件3部分。方位基座組件中方位軸系帶動(dòng)俯仰支架做方位回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，俯仰支架作為俯仰軸系和俯仰組件的支撐框架，在方位電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)俯仰部分跟隨方位軸完成方位方向的旋轉(zhuǎn)[4-5]。方位軸系包括方位旋變、方位電動(dòng)機(jī)、方位深溝球軸承、方位軸、方位滑環(huán)及其他連接件。其中，方位滑環(huán)實(shí)現(xiàn)方位基座組件與俯仰組件之間的電氣連接，保證方位可以360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)。俯仰軸系包含俯仰電動(dòng)機(jī)端模塊和俯仰旋變端模塊，分別安裝在俯仰支架的兩側(cè)，吊艙結(jié)構(gòu)連接如圖2所示。俯仰軸系與中間的俯仰球組件連成一體，在俯仰電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下，完成俯仰方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。俯仰旋變端模塊包含俯仰旋變、軸承、俯仰旋變軸和一些連接零件，采用雙軸承的結(jié)構(gòu)形式可以有效避免軸承游隙帶來的軸系晃動(dòng)，提高光電吊艙的性能。俯仰電動(dòng)機(jī)組件包含俯仰電動(dòng)機(jī)、軸承、俯仰電動(dòng)機(jī)軸和一些連接零件。

圖2 吊艙結(jié)構(gòu)連接圖

俯仰電動(dòng)機(jī)和方位電動(dòng)機(jī)都采用了直接驅(qū)動(dòng)的力矩電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)定子安裝在固定架上，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)軸和軸承結(jié)構(gòu)連接，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸沿俯仰方向轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)端的俯仰軸和旋變端的俯仰軸同時(shí)與俯仰球體的兩側(cè)板相連，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)俯仰球體轉(zhuǎn)動(dòng)，旋變同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，信號(hào)通過旋變解碼板進(jìn)行解碼后回傳到控制板，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角度信息回傳和控制。俯仰球體組件主要包含光電傳感器（紅外和攝像機(jī)）、伺服控制單元、陀螺模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、連接件及包裹在最外層的球形外殼，球殼上設(shè)計(jì)有紅外視場(chǎng)窗口和可見光視場(chǎng)窗口。

1.4 接口設(shè)計(jì)

光電吊艙接口主要包括電源接口、通信接口、視頻接口等。無人機(jī)為光電吊艙（包括內(nèi)部載荷）提供供電，通信接口用于接收伺服控制指令和返回光電吊艙的姿態(tài)參數(shù)、攝像機(jī)工作狀態(tài)參數(shù)等；視頻接口為1路可見光視頻的接口和1路輸出紅外視頻的接口，光電吊艙外部接口設(shè)計(jì)如圖3所示。

2 信號(hào)控制設(shè)計(jì)

機(jī)載電源通過導(dǎo)電滑環(huán)輸入到兩個(gè)電源模塊，大電源模塊連接方位、俯仰電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)方位和俯仰電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)。小電源模塊連接電源板進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換輸出后接入伺服控制板；伺服控制板為可見光攝像機(jī)、紅外熱成像儀、方位和俯仰旋變解碼模塊和陀螺模塊提供電源；可見光攝像機(jī)視頻輸出接口通過一分二轉(zhuǎn)接頭，一路接導(dǎo)電滑環(huán)與外部連接，一路接視頻跟蹤板進(jìn)行視頻跟蹤。紅外熱成像儀模擬視頻輸出接口連接視頻跟蹤板，視頻跟蹤板的視頻輸出接口通過導(dǎo)電滑環(huán)與外部連接，可選擇輸出可見光或紅外跟蹤視頻；方位驅(qū)動(dòng)器通過導(dǎo)電滑環(huán)與方位電動(dòng)機(jī)連接。方位旋變通過導(dǎo)電滑環(huán)與俯仰框架上的旋變解碼模塊通信，伺服控制板采集陀螺模塊數(shù)據(jù)、方位、俯仰旋變解碼模塊數(shù)據(jù)[6]。光電吊艙內(nèi)部主要元部件信號(hào)連接如圖4所示。

圖4 主要元部件信號(hào)連接圖

光電吊艙的伺服控制系統(tǒng)通過陀螺穩(wěn)定控制，消除無人機(jī)機(jī)體搖擺和振動(dòng)對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)所搭載的光電載荷的影響，使其成像穩(wěn)定，保證穩(wěn)定平臺(tái)可以對(duì)目標(biāo)實(shí)施有效的搜索和監(jiān)控。光電吊艙伺服控制系統(tǒng)共有兩個(gè)控制回路，即方位控制回路、俯仰控制回路，分別用于完成光電吊艙的方位、俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)控制，均采用高速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高精度陀螺穩(wěn)定?？刂苹芈方M成框圖如圖5所示。穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)各工作模式下的方位、俯仰回轉(zhuǎn)是通過伺服系統(tǒng)完成的，系統(tǒng)中每個(gè)控制回路均采用雙閉環(huán)設(shè)計(jì)方案，其中包括速度穩(wěn)定環(huán)路和位置穩(wěn)定環(huán)路[7-8]。

圖5 穩(wěn)定控制組成框圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括伺服控制模塊和信號(hào)采集模塊軟件設(shè)計(jì)。伺服控制模塊作為系統(tǒng)的主控制器完成整個(gè)系統(tǒng)的控制和管理，信號(hào)采集模塊采集角速度信息、角加速度信息、旋轉(zhuǎn)變壓器角度位置信息，并完成控制相機(jī)工作模式的動(dòng)作指令。光電吊艙伺服控制器完成系統(tǒng)初始化，獲取外部控制指令并解析，獲取旋轉(zhuǎn)變壓器角度位置信息、陀螺速度信息進(jìn)行解耦，完成位置環(huán)和速度穩(wěn)定環(huán)計(jì)算輸出，定時(shí)向地面設(shè)備發(fā)送光電吊艙的狀態(tài)信息的功能。

3 穩(wěn)定精度試驗(yàn)分析

利用六自由度搖擺臺(tái)和搭建的光路系統(tǒng)與光點(diǎn)位置檢測(cè)設(shè)備，采用基于光點(diǎn)位置檢測(cè)穩(wěn)定精度的檢測(cè)方法[9]，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。檢測(cè)步驟如下：將待檢樣品安裝在掛載裝置上，并將掛載裝置固定于振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)，將反射鏡安裝在慣性載荷的照準(zhǔn)架上，通過調(diào)節(jié)可移動(dòng)底座并使用快速調(diào)節(jié)裝置使光電自準(zhǔn)直儀發(fā)射光束在反射鏡的幾何中心位置，以保證測(cè)試過程中入射光點(diǎn)始終落在反射鏡上，使反射光束在光電自準(zhǔn)直儀物鏡中心點(diǎn)位置附近，以確保檢測(cè)光點(diǎn)的晃動(dòng)落在接收度較好的區(qū)域。啟動(dòng)穩(wěn)定精度分析軟件，觀察軟件界面上坐標(biāo)輸出，并調(diào)節(jié)調(diào)整臺(tái)，直到兩個(gè)坐標(biāo)顯示都為0，把此時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)定為初始狀態(tài)，將試驗(yàn)樣品通電，開啟穩(wěn)像功能。按照無人機(jī)飛行運(yùn)動(dòng)譜線進(jìn)行搖擺和振動(dòng)試驗(yàn)。使用穩(wěn)定精度分析軟件采集光點(diǎn)位置坐標(biāo)[10]，實(shí)時(shí)顯示光點(diǎn)移動(dòng)軌跡曲線，并通過統(tǒng)計(jì)學(xué)算法分別計(jì)算慣性載荷視軸二維方向穩(wěn)定精度，最終計(jì)算出慣性載荷穩(wěn)定精度符合設(shè)計(jì)需求。

圖6 穩(wěn)定精度檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)圖

4 結(jié)論

光電吊艙作為無人機(jī)領(lǐng)域的必備產(chǎn)品，在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，針對(duì)功能設(shè)計(jì)要求，對(duì)吊艙的機(jī)械結(jié)構(gòu)、接口、軟件控制等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最終吊艙通過穩(wěn)定精度測(cè)試，吊艙已經(jīng)得到了工程應(yīng)用，實(shí)際掛載飛行效果良好，該吊艙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法可以為此類吊艙的設(shè)計(jì)提供部分設(shè)計(jì)依據(jù)。