CN104898684A - 一种小型无人机飞行振动响应的主动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型无人机飞行振动响应的主动控制系统，包括无人机主体结构、控制主机、数字信号发生器、第一滤波放大模块、第二滤波放大模块、激振器、压电陶瓷叠层作动器、信号调理器、加速度传感器、谐波稳态控制系统，其中由控制主机和无人机主体结构组成输入/输出回路，先由控制主机输出振动信号作用到机体结构，进而机体产生的振动加速度信号返回控制主机，再由控制主机输出控制信号控制机体振动起到无人机振动控制的作用。本发明的无人机振动控制系统具有作动器附加质量轻、工作频带宽、响应速度快、跟随控制能力强、控制效果好等优点。

Description

一种小型无人机飞行振动响应的主动控制系统

技术领域

本发明公开了一种小型无人机飞行振动响应的主动控制系统，涉及飞行器振动控制技术领域。

背景技术

由于无人机重量轻飞行环境气动较大，造成无人机机体振动水平很高，影响无人机的飞行性能。因此，无人机振动控制对提高无人机飞行性能具有非常重要的作用。当前，结构响应主动控制被认为是最具实用价值的无人机振动主动控制新技术，能有效地降低无人机的振动水平。但是，目前无人机振动主动控制系统中常用的惯性作动器或液压作动器由于其附加质量大、工作频带窄、响应速度慢等缺点，大大降低和制约了控制系统的性能和振动控制的效果。

压电陶瓷具有产生与机械压力成正比的电荷能力，称之为正压电效应；产生与形变成正比的形变效应，称之为逆压电效应。对于在其厚度方向极化的薄片型压电陶瓷，在电场作用下，其厚度的相对变化与施加电场强度存在对应的数学关系。

由压电材料制造的压电式作动器系电驱动元件，该元件无需旋转部件，而是利用压电效应改变其尺寸。在压电式作动器上施加不同的电压，其长度将有所改变。其变化范围可从几分之一微米直到毫米的量级，最大伸长量以及作动器最大输出力取决于元件的结构。从理论上说，压电元件的分辨率是没有限制的，而且仅取决于所实施电压的稳定性，电压的每一变化都将直接转换成作动器的线性移动，能量损耗极小。因此，特别适合于在飞行器、航天器中应用。

发明内容

本发明公开了一种小型无人机飞行振动响应的主动控制系统，结合压电陶瓷叠层作动器具有质量轻、工作频带宽、响应速度快等优点，作为高效作动元件能有效地提高无人机振动主动控制系统的性能，并显著提高无人机振动控制的效果。

为实现以上的技术目的，本发明采用以下的技术方案：

一种小型无人机飞行振动响应的主动控制系统，包括无人机主体结构、控制主机、数字信号发生器、第一滤波放大模块、第二滤波放大模块、激振器、压电陶瓷叠层作动器、信号调理器、加速度传感器和谐波稳态控制系统，其中，

所述控制主机分别与数字信号发生器、谐波稳态控制系统相连接；

数字信号发生器依次经过第一滤波放大模块、激振器连接至无人机主体结构；

谐波稳态控制系统的输出端依次经过第二滤波放大模块、压电陶瓷叠层作动器连接至无人机主体结构；

无人机主体结构和加速度传感器相连接，加速度传感器的输出经过信号调理器作为谐波稳态控制系统的输入；

控制主机输出振动信号，振动信号经过数字信号发生器转换成模拟信号，模拟信号经过第一滤波放大模块传输到激振器，激振器动作产生激励力作用到无人机主体结构，产生一个振动加速度信号；

所述振动加速度信号由加速度传感器采集，再经过信号调理器、谐波稳态控制系统进入到控制主机；

控制主机根据机体振动加速度的大小，输出振动控制信号，所述振动控制信号由谐波稳态控制系统转换成模拟信号，经过第二滤波放大模块发送给压电陶瓷叠层作动器，压电陶瓷叠层作动器产生相应的作动力作用到无人机主体结构，控制机体的振动。

作为本发明的进一步优选方案，所述压电陶瓷叠层作动器包括外壳，还包括设置于外壳内的电极串联压电陶瓷片、电极并联压电陶瓷片、串联电源引线、并联电源引线和可移动输出端，所述电极串联压电陶瓷片、电极并联压电陶瓷片和可移动输出端依次连接，串联电源引线的一端与电极串联压电陶瓷片相连接，另一端与并联电源引线的一端相连接，并联电源引线的另一端与电极并联压电陶瓷片相连接；所述外壳与电极串联压电陶瓷片、电极并联压电陶瓷片之间还填充有绝缘材料。

作为本发明的进一步优选方案，所述压电陶瓷叠层作动器的压电陶瓷材料为PZT压电陶瓷，所述串联电源引线和并联电源引线的材料为银，所述外壳材料为不锈钢。

作为本发明的进一步优选方案，所述压电陶瓷叠层作动器是直接安装于无人机主体结构外侧，或借助支撑装置安装于无人机主体结构外侧，或直接安装于无人机主体结构之间。

作为本发明的进一步优选方案，所述加速度传感器为ICP压电加速度传感器，其内置有微型IC放大器。

与现有的采用惯性作动器或液压作动器的无人机振动主动控制系统相比，本发明的采用压电陶瓷叠层作动器的无人机结构响应主动控制系统具有突出的优点：作动器的附加质量轻、工作频频率范围宽、对指令的响应速度快、跟随控制能力强、振动控制效果好等优点，有效地提高了无人机振动主动控制系统的性能，并显著提高了无人机振动控制的效果。

附图说明

 图1是本发明的控制系统框图；

 图2 压电陶瓷叠层作动器的结构示意图；

 图3压电陶瓷叠层作动器中，电极串联压电陶瓷片结构示意图；

 图4压电陶瓷叠层作动器中，电极并联压电陶瓷片结构示意图；

图5是单频激励控制点的加速度响应实验效果图；

图6是双频激励控制点的加速度响应实验效果图；

图7是激励幅值改变后的加速度响应实验效果图；

图8是激励相位改变后的加速度响应实验效果图；

图9是激励频率改变后的加速度响应实验效果图；

其中：1.电极串联压电陶瓷片，2. 电极并联压电陶瓷片，3.可移动输出端，4.串联电源引线，5.并联电源引线，6.外壳。

具体实施方式

以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案，附图非限制性地公开了本发明的采用压电陶瓷叠层作动器的无人机结构响应主动控制系统。

本发明的系统框图如图1所示，一种小型无人机飞行振动响应的主动控制系统，包括无人机主体结构、控制主机、数字信号发生器、第一滤波放大模块、第二滤波放大模块、激振器、压电陶瓷叠层作动器、信号调理器、加速度传感器和谐波稳态控制系统，其中，所述控制主机分别与数字信号发生器、谐波稳态控制系统相连接；数字信号发生器依次经过第一滤波放大模块、激振器连接至无人机主体结构；谐波稳态控制系统的输出端依次经过第二滤波放大模块、压电陶瓷叠层作动器连接至无人机主体结构；无人机主体结构和加速度传感器相连接，加速度传感器的输出经过信号调理器作为谐波稳态控制系统的输入；控制主机输出振动信号，振动信号经过数字信号发生器转换成模拟信号，模拟信号经过第一滤波放大模块传输到激振器，激振器动作产生激励力作用到无人机主体结构，产生一个振动加速度信号；所述振动加速度信号由加速度传感器采集，再经过信号调理器、谐波稳态控制系统进入到控制主机；控制主机根据机体振动加速度的大小，输出振动控制信号，所述振动控制信号由谐波稳态控制系统转换成模拟信号，经过第二滤波放大模块发送给压电陶瓷叠层作动器，压电陶瓷叠层作动器产生相应的作动力作用到无人机主体结构，控制机体的振动。

压电陶瓷叠层作动器的设计是本发明的关键环节之一。对于精密结构的控制，无需大的冲程与作用力，故可采用压电陶瓷材料PZT制作作动器。在需要较大控制行程时，单片压电陶瓷的微位移量有限，需要采用多片叠加构成压电陶瓷叠层。压电叠层中的压电陶瓷片之间可采用电极串联或并联形式。并联可以获得大的电荷灵敏度或微位移行程，用较低的控制电压获得较大的位移量；串联结构可增加元件灵敏度，本发明优选串联结构和并联结构相组合的方式，综合利用压电陶瓷叠层的控制效果。图2为压电陶瓷叠层作动器结构示意图。作动器由控制器通过电压放大器进行驱动，当电压作用在作动器叠层上时，使作动器长度发生改变，同时诱发了结构应变，产生了控制力，其大小由作用于叠层上的电压决定。电极串、并联压电陶瓷片结构示意图分别如图3、图4所示。所述压电陶瓷叠层作动器包括外壳，还包括设置于外壳内的电极串联压电陶瓷片、电极并联压电陶瓷片、串联电源引线、并联电源引线和可移动输出端，所述电极串联压电陶瓷片、电极并联压电陶瓷片和可移动输出端依次连接，串联电源引线的一端与电极串联压电陶瓷片相连接，另一端与并联电源引线的一端相连接，并联电源引线的另一端与电极并联压电陶瓷片相连接；所述外壳与电极串联压电陶瓷片、电极并联压电陶瓷片之间还填充有绝缘材料。

作为本发明的进一步优选方案，所述压电陶瓷叠层作动器的压电陶瓷材料为PZT压电陶瓷，所述串联电源引线和并联电源引线的材料为银，所述外壳材料为不锈钢。

作为本发明的进一步优选方案，所述压电陶瓷叠层作动器是直接安装于无人机主体结构外侧，或借助支撑装置安装于无人机主体结构外侧，或直接安装于无人机主体结构之间。

作为本发明的进一步优选方案，所述加速度传感器为ICP压电加速度传感器，其内置有微型IC放大器。

    对本发明所述的采用压电陶瓷叠层作动器的无人机结构响应主动控制系统进行了实验研究。以某无人机旋翼主通过频率19.5Hz单频激励，当控制开始后振动很快衰减，在5秒时间内达到稳定状态后的振动水平降低了96%，如图5所示。以主通过频率19.5Hz和次通过频率39.0Hz双频激励，控制效果仍然很好，当控制开始后振动很快衰减，在5秒时间内振动水平的衰减幅度达到95%以上，如图6所示。为了考察控制系统对激励力变化的适应性，对激励力的幅值、相位和频率的变化进行了自适应控制实验研究。系统开始以19.5Hz的激励力输入，10s时控制开启，振动很快衰减，待衰减稳定后在30s时改变激励力参数，此时，结构振动又很快变大，主动控制系统根据结构响应的变化，给压电陶瓷叠层作动器输入新的电压，作动器改变输出力，结构响应又很快衰减到稳态状态，实现了对结构响应的自适应控制，如图7所示。重复实验，分别改变相位和频率，得到同样的自适应控制效果，分别如图8和图9所示。

Claims (5)

1.一种小型无人机飞行振动响应的主动控制系统，其特征在于：包括无人机主体结构、控制主机、数字信号发生器、第一滤波放大模块、第二滤波放大模块、激振器、压电陶瓷叠层作动器、信号调理器、加速度传感器和谐波稳态控制系统，其中，

所述控制主机分别与数字信号发生器、谐波稳态控制系统相连接；

数字信号发生器依次经过第一滤波放大模块、激振器连接至无人机主体结构；

谐波稳态控制系统的输出端依次经过第二滤波放大模块、压电陶瓷叠层作动器连接至无人机主体结构；

无人机主体结构和加速度传感器相连接，加速度传感器的输出经过信号调理器作为谐波稳态控制系统的输入；

控制主机输出振动信号，振动信号经过数字信号发生器转换成模拟信号，模拟信号经过第一滤波放大模块传输到激振器，激振器动作产生激励力作用到无人机主体结构，产生一个振动加速度信号；

所述振动加速度信号由加速度传感器采集，再经过信号调理器、谐波稳态控制系统进入到控制主机；

控制主机根据机体振动加速度的大小，输出振动控制信号，所述振动控制信号由谐波稳态控制系统转换成模拟信号，经过第二滤波放大模块发送给压电陶瓷叠层作动器，压电陶瓷叠层作动器产生相应的作动力作用到无人机主体结构，控制机体的振动。

2.如权利要求1所述的一种小型无人机飞行振动响应的主动控制系统，其特征在于：所述压电陶瓷叠层作动器包括外壳，还包括设置于外壳内的电极串联压电陶瓷片、电极并联压电陶瓷片、串联电源引线、并联电源引线和可移动输出端，所述电极串联压电陶瓷片、电极并联压电陶瓷片和可移动输出端依次连接，串联电源引线的一端与电极串联压电陶瓷片相连接，另一端与并联电源引线的一端相连接，并联电源引线的另一端与电极并联压电陶瓷片相连接；所述外壳与电极串联压电陶瓷片、电极并联压电陶瓷片之间还填充有绝缘材料。

3.如权利要求2所述一种小型无人机飞行振动响应的主动控制系统，其特征在于：所述压电陶瓷叠层作动器的压电陶瓷材料为PZT压电陶瓷，所述串联电源引线和并联电源引线的材料为银，所述外壳材料为不锈钢。

4.如权利要求1所述的一种小型无人机飞行振动响应的主动控制系统，其特征在于：所述压电陶瓷叠层作动器是直接安装于无人机主体结构外侧，或借助支撑装置安装于无人机主体结构外侧，或直接安装于无人机主体结构之间。

5.如权利要求1所述的一种小型无人机飞行振动响应的主动控制系统，其特征在于：所述加速度传感器为ICP压电加速度传感器，其内置有微型IC放大器。