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多旋翼飞行器电机振动对陀螺仪影响与解决方案

2019-02-18 14:10阅读:
多旋翼飞行器的振动来源主要是电机旋转,部分来源于气流引起的整机振动。电机旋转以及螺旋桨振动会通过机臂、安装柱传递到飞控上的陀螺仪中,陀螺仪采集到振动干扰信号后,飞控会发出指令给电机,抵消掉振动干扰信号,这个时候会引起飞机的抖动(twitchy)。
物理减振是调参的基础,是pid调试,滤波选择的基础。尤其是电机振动比较厉害,机架采用窄机臂和分体式设计的时候,减振做好了,调参就可以事半功倍,如果减振没有做好,调参就很难做好。
电机旋转主要是影响陀螺仪的z值(对应打yaw),因为电机旋转方向与z值相同,电机旋转频率很高,这样就比较容易通过采取隔振以及减振措施来消除振动对陀螺仪的影响。通常有几个措施:
1 电机加减震垫
2 飞控用橡胶柱而非尼龙柱
3 O型圈(实测效果不好,
O型圈中间螺栓会有振动短路)
4 机臂上用阻尼材料缠绕(初步设想,未层试验)
试验各种措施的减振量值,注意减振量值用dB来表示,效果可以线性叠加,如果是电机橡胶减震垫与飞控橡胶柱配合,可以达到26dB,如果是电机硅胶减震垫与飞控橡胶柱配合,可以达到20dB
电机硅胶减振垫 20 >>10 (6dB)
电机橡胶减振垫 20 >>5 (12dB)
飞控橡胶柱 100>>20 (14dB)
TPU减震垫(没有进行试验)
1为没有减振隔振措施的blackbox,上面曲线为电机,下面曲线为陀螺仪转速,可以明显看到黄色曲线(对应z值)有非常多的毛刺,这些毛刺为振动引入,这些毛刺使得飞控不得不去指令电机去抵消,可以看到对应毛刺时间的电机也有很多毛刺,一方面降低了效率,电机做很多无用功,另一方面严重影响飞行手感。

2 为电机加了硅胶减振垫,可以看到毛刺还是很多,但是幅值和出现频率已经少于图1,图3 为电机加硅胶减振垫+飞控橡胶柱,毛刺基本上已经消失,飞行时就是感觉非常丝滑,没有一些额外的抖动。
多旋翼飞行器电机振动对陀螺仪影响与解决方案

1 没有减振隔振措施

多旋翼飞行器电机振动对陀螺仪影响与解决方案

2 电机硅胶减振垫
多旋翼飞行器电机振动对陀螺仪影响与解决方案

3 电机硅胶减振垫+飞控橡胶柱
更进一步的设想是飞控采用双层隔振,两层橡胶柱进行隔振,该方法可能会受限于机架空间。
随着飞控技术的发展,以后飞控中可能会集成陀螺仪的减振垫,另外飞控固件的发展,电子滤波技术从被动滤波到主动滤波的发展,也可能会进一步提高振动干扰的处理能力。

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