CN110654557B - 一种无人机的减震结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机的减震结构，包括若干套减震构件、安装板和蓄电池，所述的每套减震构件由弹簧I、弹簧II、支撑杆、套筒和橡胶减震球组成。本发明能够解决现有技术中增加配重减少无人机航时，减震结构设计复杂及对环境的宽适应性差的问题。

Description

一种无人机的减震结构

技术领域

本发明涉及机械设计技术领域，尤其涉及一种无人机的减震结构，具体涉及一种无人机光电成像载荷的减震结构。

背景技术

多旋翼无人机是一种具有三个及以上旋翼轴的无人飞行器，由于多旋翼无人机具有：体积小、重量轻、可悬停、操控方便等优点。近年来，其在航拍领域发展迅猛，为了能延长多旋翼无人机在空中的工作时间，在同样视频成像质量下，使用更轻、更小的载荷就成为了无人机整机厂商的首选。但多个螺旋桨同时工作时，会给多旋翼无人机机体带来高频震动，震动通过机体传递到其携带的光电成像载荷上，导致载荷所呈现出来的视频画面会出现质量降低、果冻、甚至严重变形等问题，使得用户难以识别视频画面中的内容。

载荷越轻小，对无人机的减震系统提出的要求越高,在减震系统不能满足需要的条件下，为了满足光电成像载荷在画面质量上的要求，大多数采用在光电成像载荷上增加配重的办法，但这种方法直接导致无人机在空中工作时间的减少。

为了提升机载光电载荷的成像质量，无人机厂商大多采取如下两种减震方式：

第一种，通过对视频图像的处理，实现电子防抖的方式。

电子防抖主要指的是在相机上采用强制提高CCD感光参数，同时加快快门，并针对CCD上取得的图像进行分析，然后利用边缘图像进行补偿的防抖。但电子防抖实际上是一种通过降低画质来补偿抖动的技术，而且普遍效果较差，因此现有无人机厂商只是将其作为辅助手段使用。

第二种，采用机械减震结构，实现物理隔振的方式。

在减震系统中控制震动及其传递的三个基本因素是：减震器的刚度、阻尼以及减震系统的质量。他们对于系统隔振的影响如下：

刚度：在隔震区起主要作用，一般而言，在隔震区，刚度越大，系统固有频率越高，隔震效果越差；刚度越小，系统固有频率越低，隔震效果越好。

阻尼：在震动放大区起主要作用，高阻尼可以有效降低震动放大区内的震幅。

质量：质量影响隔震系统的固有频率，质量越大，固有频率越低，隔震效果越好。

所以，根据减震方式不同机械减震又可以分为：为载荷配置减震器减震，和为载荷增加配重减震两种方式。

1、通过给光电成像载荷配置减震器的方式。

此种方式是通过在光电载荷与无人机机体之间安装弹性体连接，缓冲或减轻冲击作用于光电载荷上，并防止设备在冲击过载或线性加速度过载作用下与相邻构件相碰撞，过滤从机体传导而来的震动。这种方式在设计合理的情况下，可以提现良好的减震效果，因此被绝大多数厂商所采用。比较常见的减震器包括：橡胶减震球和减震弹簧两类。其中橡胶减震球可以对高频震动进行过滤，而减震弹簧则可以利用其形变较大的优势，对低频大幅震动起到减震作用。

此种方式，结构设计虽然相对简单，但在减震器的选择方面，由于大多数无人机厂商都没有足够的技术条件，获取在飞行过程中的无人机机体震动频率与幅度，只能凭借以往设计经验，选择市场上的现货减震器进行光电载荷减震结构的设计。这样虽然成本较低，但整机厂商却只能通过调整减震器型号、数量和安装位置来改善减震性能，提升其过滤震动的能力。这样做缺乏理论验证，需要通过长期测试、并多次修改减震结构设计，且此种方式对外部环境的宽动态适应性较小，难以对高频和低频震动均起到良好的减震效果，且一旦遇有大风等令机身震动频率或幅度发生较大改变的情况，就会出现减震效果降低的问题。

2、为载荷增加配重的方式。

因为载荷的质量影响隔震系统的固有频率，质量越大，固有频率越低，隔震效果越好。所以为载荷增加配重，从而提升载荷的隔震能力是最经济有效的方式，但此种方式带来的载荷质量增加，会令悬挂载荷的无人机飞行能耗提升，缩短飞行时间，因此也很难被用户接受。

发明内容

本发明提供了一种低成本的无人机光电载荷设备的减震结构，通过将无人机供电电池与载荷一体化安装，减震橡胶球与水平面成角度安装及减震的弹簧和橡胶减震球串联安装等，在降低光电载荷固有频率的基础上，提升了对于载荷全频段震动的隔震效果，能够解决现有技术中增加配重减少无人机航时，减震结构设计复杂及对环境的宽适应性差的问题。

本发明提供了一种无人机的减震结构，包括若干套减震构件、安装板和蓄电池，所述的每套减震构件由弹簧I、弹簧II、支撑杆、套筒和橡胶减震球组成；

光电成像载荷安装在安装板下方，安装板上方安装无人机蓄电池，无人机蓄电池与光电成像载荷同轴，套筒上端与无人机底板固连，弹簧I、弹簧II和橡胶减震球通过支撑杆串联，弹簧I和弹簧II都安装在套筒内，支撑杆上端伸入套筒，其中弹簧I安装在套筒的上部，其上端与无人机底板固连，下端压在支撑杆上端面上，弹簧II安装在套筒的下部，其上端顶在支撑杆上端面下方，下端与套筒底部固连，支撑杆给弹簧I和弹簧II一定的预压力，其下端与橡胶减震球下端连接，安装板的底端与橡胶减震球上端连接，橡胶减震球与水平面成一定夹角。

所述的减震构件不少于3套，设置在安装板的位置没有限制，保证安装板平衡受力即可。

所述的蓄电池和光电载荷同轴安装在一起，以其重量作为光电载荷的配重。

所述的弹簧预压力，其大小要使弹簧I压缩形变尺寸大于无人机工作中所产生的最大震动幅度。

所述的橡胶减震球与水平面的夹角范围为0°-90°。

所述的橡胶减震球与水平面的夹角范围为45±5°。

本发明在45±5°优选范围内可以保证隔震率达到80％以上，使得本发明适应性高。

减震系统工作的过程如下：

初始状态，弹簧I和弹簧II处于预压缩状态，蓄电池和光电载荷同轴安装在一起，增加了光电载荷的固有频率。无人机在起飞、降落或受到其他突发外力作用致使机体产生较大幅度震动时，套筒中的弹簧I和弹簧II可以通过其自身伸展或压缩，抵消机体传导到载荷的大幅度震动，并通过支撑杆带动减震橡胶球变形，过滤掉弹簧未抵消的小幅度震动，起到减少无人机的低频大幅震动的作用；在无人机飞行的过程中，遇到的气流、螺旋桨旋转等造成的高频小振幅的震动时，弹簧I和弹簧II微小变形，抵消震动中的大幅峰尖，橡胶减震球通过变形对高频小振幅震动进行减震，可以起到滤除无人机机体传递到载荷的高频小幅震动的作用。

应用本发明的技术方案，与现有技术相比，有以下优点：

1、本发明通过弹簧I、弹簧II和橡胶减震球通过支撑杆串联，利用弹簧I、弹簧II和橡胶减震球串联双重作用，使弹簧I、弹簧II和橡胶球的特性通过支撑杆的连带作用相互配合，实现对环境的宽动态适应性，将低频大幅震动和高频小幅震动滤掉，达到很好的减震效果；

2、本发明利用电池的重量作为光电载荷的配重，不需要另行为光电载荷增加配重，在不缩短无人机航时的同时，降低光电载荷的固有频率，提高了光电载荷自身的防震性能；

3、本发明结构简单，部件较少，便于加工，安装方便，而且减震效果好，可以在无人机上广泛使用；

4、本发明给出了橡胶减震球与水平面夹角的优选范围45±5°，在此范围内可以保证隔震率达到80％以上，适应性高，使用范围广，不需要进行长时间的调试即可满足隔震的要求。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明整体结构主示图；

图2示出了本发明整体结构侧示图；

图3示出了本发明安装板结构示意图，其中图3(A)为俯视图，图3(B)为侧视图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明包括若干套减震构件、安装板5、蓄电池6，每套减震构件由弹簧I2、弹簧II10、套筒8、支撑杆3和橡胶减震球4组成。光电成像载荷通9安装在安装板5下方，安装板5上方安装无人机蓄电池6，无人机蓄电池6与光电成像载荷9同轴，套筒8上端与无人机底板1固连，弹簧I2和弹簧II10都安装在套筒8内，其中弹簧I2安装在套筒8的上部，其上端与无人机底板1固连，下端压在支撑杆3上端面上，弹簧II10安装在套筒8的下部，其上端顶在支撑杆3上端面下方，下端与套筒8底部固连。支撑杆7上端伸入套筒8，给弹簧I2和弹簧II10一定的预压力，下端与橡胶减震球4下端连接，安装板5的底端与橡胶减震球4上端连接，橡胶减震球4与水平面成一定夹角。

无人机减震结构包含若干套减震构件，放置在安装板的位置没有限制，保持安装板平衡受力即可，最少为3套。具体的设置位置本领域技术人员根据需要设计成三角形的三个角、方形的四个角或是均匀分布在圆周上。

安装板由弹簧II压缩提供支撑力，同时弹簧II在减震时，对震动起到过滤作用。

从机体传输而来的震动可以分解为水平方向和垂直方向，为使两个方向的震动都得到更好的降低，橡胶减震球4与水平面成一定夹角。橡胶减震球4与水平面的夹角优选45±5°，可以保证隔震率达到80％以上，适应性高。该角度选取考虑到连接部件受力情况、机体震动情况、结构空间等多种因素，如减震要求高，可以在无人机底板上安装震动传感器，通过测量的震动方向、幅度等参数后，再具体确定夹角的角度，可得到更佳减震效果。

本发明利用弹簧I2、弹簧II10和橡胶减震球4串联的双重作用，可以实现低频大幅震动和高频小幅震动的过滤，对机体全频段宽振幅的震动都起到良好的减震过滤效果，其原理如下：

1、对于机体产生的低频大幅震动，由于弹簧压缩行程较大，其可以滤除大部分机身震动，将震动幅度降低，而通过弹簧后未能滤除的小幅震动，则可以通过橡胶减震球的形变滤除，保证载荷在机体发生低频大幅震动时拥有良好的减震效果。

2、对于机身产生的高频小幅震动，由于弹簧阻尼大，能对小幅震动中夹杂的大幅尖峰震动进行过滤，而大量的小幅震动则会传递到橡胶减震球下端，通过橡胶减震球对高频小幅震动进行滤除，保证减震效果。

把蓄电池5的重量作为光电载荷的配重，不需要另行增加配重就达到了增加光电载荷固有频率的效果，提高隔震效果的同时不增加总体重量，保证了无人机的续航时间。

实施例1

如图1、2、3(A)、3(B)所示，本实施例采用的安装板5为长方形，采用4套减震构件，设置在方形的四个角上，光电成像载荷通9过支撑柱7安装在安装板5下方，可以是螺纹或焊接等方式。

用魔术绑扎带穿过安装板5的两个长圆槽，固定安装电池6，4个支撑柱7穿过安装板5的圆心分布的四个光孔将光电成像载荷吊装固定。橡胶减震球4与水平面的夹角选45°。

本实施例通过分别在无人机机体和光电载荷上贴附两只震动传感器，并结合无人机实际飞行验证，对无人机机体和载荷的震动指标进行测试，试验结果如下：

1、本发明可以对无人机在飞行过程中机体所产生的高频50-1000Hz区间，震幅在5mm以内的震动起到显著的隔振效果，隔振率可以达到90％以上；

2、本发明可以对无人机在起飞或降落时载荷所遭受的10mm以上的低频冲击震动，缩减到2mm以内，隔振率可以达到90％以上。

各项指标满足设计要求。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无人机的减震结构，其特征在于：包括若干套减震构件、安装板和蓄电池，所述的每套减震构件由弹簧I、弹簧II、支撑杆、套筒和橡胶减震球组成；

所述的安装板下方安装光电成像载荷，上方安装无人机蓄电池，套筒上端与无人机底板固连，弹簧I、弹簧II和橡胶减震球通过支撑杆串联，弹簧I和弹簧II都安装在套筒内，支撑杆上端伸入套筒，其中弹簧I安装在套筒的上部，其上端与无人机底板固连，下端压在支撑杆上端面上，弹簧II安装在套筒的下部，其上端顶在支撑杆上端面下方，下端与套筒底部固连，支撑杆给弹簧I和弹簧II一定的预压力，其下端与橡胶减震球下端连接，安装板的底端与橡胶减震球上端连接，橡胶减震球与水平面成一定夹角；所述的橡胶减震球均匀分布在圆周上。

2.根据权利要求1所述的一种无人机的减震结构，其特征在于：所述无人机蓄电池与光电成像载荷同轴。

3.根据权利要求1所述的一种无人机的减震结构，其特征在于：所述的减震构件不少于3套。

4.根据权利要求1所述的一种无人机的减震结构，其特征在于：所述的橡胶减震球与水平面夹角的范围为0-90°。

5.根据权利要求4所述的一种无人机的减震结构，其特征在于：所述的橡胶减震球与水平面夹角的范围为45±5°。

6.根据权利要求1所述的一种无人机的减震结构，其特征在于：所述的弹簧I的初始压缩形变尺寸大于无人机工作中所产生的最大震动幅度。

Images