CN117267307A - 一种用于无人机云台的准零刚度六自由度减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于无人机云台的准零刚度六自由度减振装置，包括支撑装置和减振装置，所述支撑装置包括连接座、负载座和安装座；外载设备安装在安装座上；负载座与安装座之间设有三轴旋转机构；所述减振装置包括上减振单元和下减振单元；上减振单元和下减振单元均由上端面、下端面以及设置在上端面和下端面之间的弹性弯杆构成；所述弹性弯杆的横截面为月牙形截面。通过上述改进，使得本发明的准零刚度六自由度减振装置可在无人机受振动干扰时迅速自适应地对外部振动进行减振，在沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动和转动均具有良好的减振效果，可保持外载设备的稳定性，减小外部振动对无人机的影响，从而提高无人机的工作性能和飞行稳定性。

Description

一种用于无人机云台的准零刚度六自由度减振装置

技术领域

本发明涉及无人机减振云台技术领域，具体涉及一种用于无人机云台的准零刚度六自由度减振装置。

背景技术

随着无人机技术的发展，无人机的应用范围不断扩大，尤其在航拍和监测等领域取得了显著的进展。然而，无人机在飞行过程中不可避免的受到外界气流、电机噪音、无人机飞行惯性等来自不同频段的复杂干扰，造成机体振动，导致相机无法清晰地捕捉视频和图像。因此，需要高效可靠的减振云台来确保相机、传感器等设备在复杂飞行环境中能够稳定工作。

减振云台的减振装置是一种用于减小无人机在飞行过程中由于气流、风力以及机体振动等外部干扰所产生的振动影响的关键装置。减振云台的应用，可以保持无人机在复杂的振动环境下平稳飞行，同时保护无人机搭载的相机、传感器等设备免受振动干扰，从而提高相机的拍摄或监测质量，以及保证传感器等设备的正常工作。

传统减振云台技术存在一些局限性，传统减振云台虽然能够在一定程度上减小振动传递，然而，由于减振结构通常采用固定的线性刚度设计，因此减振性能较差，并且无法根据外部干扰的频率和振幅进行自适应调节。这使得传统减振云台在面对复杂多变的环境时，减振效果可能受到限制。另外，由于线性云台的减振装置的刚度参数是固定的，其减振频率范围有一定限制，无法满足高频率或大振幅干扰的减振需求。在遇到超出设计范围的外部振动干扰时，传统线性减振云台可能难以有效减小振动的传递，导致机载设备受到损坏或影响无人机运行的稳定性。

因此针对以上所列问题，设计一种具有良好减振性能、能够适应复杂振动干扰环境下的非线性刚度云台减振装置是十分必要的。

发明内容

本发明在于克服现有技术的不足，提供一种用于无人机云台的准零刚度六自由度减振装置，所述的准零刚度六自由度减振装置具有良好的减振效果，可保持无人机上搭载的外载设备的稳定性，减小外部振动对无人机系统的影响，从而提高无人机的工作性能和飞行稳定性。

本发明用于解决现有技术问题的技术方案是：

一种用于无人机云台的准零刚度六自由度减振装置，包括支撑装置以及设置在所述支撑装置中的若干个减振装置，其中，

所述支撑装置包括连接座、负载座和安装座；其中，外载设备安装在所述安装座上；所述连接座位于所述负载座的上方，而所述负载座则位于所述安装座的上方，该负载座与所述安装座之间设置有用于促使所述安装座绕着X轴、Y轴和Z轴转动的三轴旋转机构；

所述减振装置包括上减振单元和下减振单元；所述上减振单元和所述下减振单元均由上端面、下端面以及设置在所述上端面和所述下端面之间的弹性弯杆构成；所述上端面和所述下端面同轴设置；其中，所述上减振单元中的上端面与所述连接座的上端连接，下端面则与所述负载座的上端连接；所述下减振单元中的上端面与所述负载座的下端连接，下端面则与所述连接座的下端连接；所述弹性弯杆的横截面为月牙形截面。

优选的，所述连接座和所述负载座均设置有多个由其几何中心向外延伸的连接臂，多个连接臂呈圆周分布；所述连接臂的末端开设有凹槽以及与所述上减振单元或所述下减振单元的上端面或下端面连接固定的螺栓孔。

优选的，所述连接座包括上支撑板和下支撑板，其中，所述上减振单元的下端面与所述负载座的上端通过螺栓固连，该上减振单元的上端面与所述上支撑板通过螺栓固连；所述下减振单元的上端面与所述负载座的下端通过螺栓固连，该下减振单元的下端面与所述下支撑板通过螺栓固连。

优选的，所述连接座的上端设置有挂架。

优选的，所述连接座的连接臂在其末端向下弯曲呈U形，以此形成该连接座的下支撑板。

优选的，所述上减振单元的弹性弯杆在长度方向上的引导线为二维曲线，由双曲线函数表示；该引导线的对称轴与所述上减振单元的上端面和下端面之间的中间平面相重合。

优选的，所述下减振单元的弹性弯杆在长度方向上的引导线为二维曲线，由三角函数表示，该引导线的对称轴与所述下减振单元上端面和下端面之间的中间平面相重合。

优选的，所述弹性弯杆的横截面中的大圆和小圆相交形成内圆弧和外圆弧，其中，所述内圆弧和所述外圆弧的两端点相接且凹向一致，以此形成所述月牙形截面。

优选的，所述支撑装置和所述减振装置均采用轻质高强度的碳纤维复合材料制作。

优选的，所述减振装置通过3D打印技术一体成型制作，其中，3D打印的材料为热塑性聚氨酯弹性体。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、本发明的用于无人机云台的准零刚度六自由度减振装置由于特殊的准零刚度减振单元的串联式设计，在工作范围内接近零刚度，当无人机运行时受到外部振动干扰时，无人机云台的刚度极低，几乎不会对外部振动施加抵抗力，在面对不同频率和振幅的外部干扰时，本发明的准零刚度六自由度减振装置能够提供更优异的减振效果，保持无人机的稳定性和机载设备的稳定运行。

2、本发明的用于无人机云台的准零刚度六自由度减振装置具有自适应减振效果；通过采用本发明的准零刚度六自由度减振装置的无人机减振云台可以根据外部干扰的频率和振幅进行自适应调节，使得减振效果更加灵活和高效。

3.本发明的用于无人机云台的准零刚度六自由度减振装置的设计可以扩大其减振范围。相较于传统线性减振云台的固定刚度，本发明中的准零刚度的引入使得减振云台能够更好地适应超出设计范围的外部振动干扰，为无人机在复杂环境中提供更强大的稳定性保障。

4、本发明的准零刚度六自由度减振装置的刚度由上、下减振单元的变形共同决定，因此，通过调整减振单元中的弹性弯杆的曲率、厚度和宽度等参数可对上、下减振单元和云台整体刚度进行参数化设计。

5、由于主动减振云台通常需要消耗大量的能源来维持减振效果，因为其需要主动调整刚度和阻尼参数以对抗外部振动。本发明所提出的被动云台六自由度减振装置，可以在无需外部能源输入的情况下自适应地调整减振特性，从而节约能源，并延长无人机的续航时间。

6、本发明的准零刚度六自由度减振装置采用被动减振方式，相较于传统线性减振云台的复杂控制系统，减少了控制算法和传感器等的需求。这使得无人机云台的设计更加简化，降低了系统维护成本和风险。

附图说明

图1为本发明的搭载准零刚度六自由度减振装置的无人机云台的立体图。

图2为本发明的准零刚度六自由度减振装置的立体图。

图3为本发明的减振单元的立体图。

图4为本发明的减振单元的正视图。

图5为本发明的减振单元的弹性弯杆的横截面图。

图6为本发明的减振单元在压缩过程中弹性弯杆在不同位置的横截面变形图。

图7为本发明的准零刚度六自由度减振装置的力-位移曲线图。

其中，1-减振装置；2-连接座；3-负载座；4-挂架；5-三轴旋转机构；6-外载设备；7-上支撑板；8-下支撑板；9-上端面；10-下端面；11-弹性弯杆；12-上减振单元；13-下减振单元；14-内圆弧；15-外圆弧。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

参见图1-图4，本发明的用于无人机云台的准零刚度六自由度减振装置，包括支撑装置以及设置在所述支撑装置中的若干个减振装置1。

参见图1-图4，所述支撑装置包括连接座2、负载座3和安装座；其中，外载设备6(例如相机)安装在所述安装座上；所述连接座2位于所述负载座3的上方，而所述负载座3则位于所述安装座的上方，该负载座3与所述安装座之间设置有用于促使所述安装座绕着X轴、Y轴和Z轴转动的三轴旋转机构5。

参见图1-图4，所述减振装置1包括上减振单元12和下减振单元13；所述上减振单元12和所述下减振单元13均由上端面9、下端面10以及设置在所述上端面9和所述下端面10之间的弹性弯杆11构成；所述上端面9和所述下端面10为圆形且同轴设置，其上设有连接固定的螺栓孔，可与连接座2和负载座3相连；其中，所述上减振单元12中的上端面9与所述连接座2的上端连接，下端面10则与所述负载座3的上端连接；所述下减振单元13中的上端面9与所述负载座3的下端连接，下端面10则与所述连接座2的下端连接；所述弹性弯杆11的横截面为月牙形截面，该弹性弯杆11的横截面中的大圆和小圆相交形成内圆弧14和外圆弧15；其中，所述内圆弧14和所述外圆弧15的两端点相接且凹向一致，以此形成图3中的月牙形截面。当无人机云台(本发明的准零刚度六自由度减振装置与三轴旋转机构5相连，从而组成无人机云台)沿x、y、z三个直角坐标轴方向移动或转动时，上减振单元12和下减振单元13的上端面9和下端面10发生相对位移，使得弹性弯杆11压缩变形产生准零刚度。

参见图1-图7，本发明的减振装置产生非线性刚度的原理(以下减振单元13为例)：

当下减振单元13的上端面9受力时，将外力传递给弹性弯杆11，使得弹性弯杆11压缩变形。为了对压缩过程中的横截面的变形与非线性弹力的关系进行综合分析，选择了弹性弯杆11的三个特殊位置(A、B和C)进行评估；其中，图6所示为下减振单元13在轴向压缩过程中弹性弯杆11在不同位置的横截面的变形过程；其中，应力主要分布在横截面的内圆弧14和外圆弧15的边缘。通过比较压缩前后横截面的形状可知，横截面的内圆弧14和外圆弧15的曲率半径均增大，且形状不断接近于平坦，尤其在位置A处最明显。这种截面形状的变形降低了横截面的惯性矩，从而降低了抵抗弯矩的能力，使得弹性弯杆11受压导致截面形状不断接近于扁平时，从而使得下减振单元13相对于上一时刻更容易被压缩。这种特性使弹性弯杆11产生非线性刚度，即使得其压缩前期的刚度大，可以支持重载荷，而在静平衡点处的刚度很低，可有效降低固有频率。由图7的本发明的准零刚度六自由度减振装置的力-位移曲线图可知，弹力从初始位移开始逐渐增大，同时刚度逐渐减小，随着位移的增大，弹力增大到与负载重力相互平衡位置，此时刚度逐渐减小到准零刚度，在准零刚度范围内，下减振单元13既能够承受较大的负载质量，又能够保持很低的共振频率，因此可在较宽的频率范围内实现优秀的减振效果。随着位移的继续增大，弹力开始急剧上升，刚度逐渐增大，出现硬化效应，这种效应可限制无人机云台发生较大位移，以免超出无人机云台的安全位移范围，保证了无人机云台及外载设备6的安全运行。

参见图1-图4，所述连接座2和所述负载座4均设置有三个由其几何中心向外延伸的连接臂，三个连接臂呈圆周等角度分布；所述连接臂的末端开设有凹槽以及与所述上减振单元12或所述下减振单元13的上端面9或下端面10连接固定的螺栓孔。

参见图1-图4，所述连接座2包括上支撑板7和下支撑板8，其中，所述上减振单元12的下端面10与所述负载座3的上端通过螺栓固连，该上减振单元12的上端面9与所述上支撑板7通过螺栓固连；所述下减振单元13的上端面9与所述负载座3的下端通过螺栓固连，该下减振单元13的下端面10与所述下支撑板8通过螺栓固连；为了方便所述连接座2与无人机连接，在所述连接座2的上端设置有挂架4；当无人机受到外部干扰产生振动时，来自机身的振动会通过挂架4传递至减振装置1，上减振单元12和下减振单元13可通过形变吸收和消耗振动能量，减小外载设备6受振动干扰，从而保证外载设备6正常工作。

在本实施例中，所述连接座2的连接臂在其末端向下弯曲呈U形，以此形成该连接座2的下支撑板8。

参见图1-图4，所述上减振单元12的弹性弯杆11在长度方向的引导线为二维曲线，由双曲线函数表示；该引导线的对称轴与所述上减振单元12的上端面9和下端面10之间的中间平面相重合。

参见图1-图4，所述下减振单元13的弹性弯杆11在长度方向的引导线为二维曲线，由三角函数表示；该引导线的对称轴与所述下减振单元13的上端面9和下端面10之间的中间平面相重合。

参见图1-图4，本发明的支撑装置和减振装置1均采用轻质高强度的碳纤维复合材料制作；而上减振单元12、下减振单元13和弹性弯杆11通过3D打印技术一体成型制作，其中，3D打印的材料为热塑性聚氨酯弹性体。

参见图1-图7，本发明的准零刚度六自由度减振装置的具体工作原理为：

在无外部振动干扰情况下，负载座3和三轴旋转机构5通过上减振单元12和下减振单元13悬挂于安装在无人机机身底部的连接座2上。

当无重力作用时，上减振单元12和下减振单元13处于初始的未变形状态，无弹性形变力产生。当考虑重力作用时，在负载座3和三轴旋转机构5重力的作用下，负载座3和三轴旋转机构5相对于连接座2产生竖直向下的位移，这段位移使得下减振单元13的上端面9与下端面10间的弹性弯杆11受压，弹性弯杆11发生压缩变形并产生准零刚度弹性力，以支撑负载座3和三轴旋转机构5的部分重力，同时在重力平衡位置的工作范围内，下减振单元13的刚度接近于零，有利于衰减振动。在负载座3和三轴旋转机构5的重力作用下，对于上减振单元12而言，负载座3和三轴旋转机构5相对于连接座2产生的竖直向下位移将引起上减振单元12的上端面9与下端面10出现轴向远离趋势，使弹性弯杆11发生弹性变形，弹性弯杆11抵抗变形的拉力抵消了负载座3和三轴旋转机构5的另一部分重力。因此，在上减振单元12和下减振单元13的支撑力和拉力作用下，无人机云台在无振动干扰时可保持稳定状态，且刚度极低接近于零。

当无人机云台受到外部振动干扰时，减振装置1在六个自由度方向均产生运动，即沿x、y、z三个直角坐标轴方向移动及绕x、y、z三个直角坐标轴方向转动。在这六个自由度中，沿z轴移动及绕x、y轴转动的自由度可转化为减振单元轴向的压缩或拉伸；沿x、y轴移动及绕z轴转动的自由度可转化为减振单元径向的弹性变形。

当无人机云台由静止状态转化为受干扰状态时，减振装置从稳定状态转化为动平衡状态，此时在沿z轴移动及绕x、y轴转动的自由度方向上，减振装置1的刚度始终保持在接近于零的范围内，这意味着在准零刚度工作范围内，减振装置1对负载座3和三轴旋转机构5所传导的外部振动响应几乎不会施加抵抗力，相比传统的线性刚度减振系统，具有更加优秀的减振性能。另外，减振装置1在准零刚度工作范围内能够快速自适应地调整自身刚度，因此无论是低频大振幅的振动还是高频小振幅的振动，减振装置1都能够有效地进行减振。对于沿x、y轴移动及绕z轴转动时，可转化为减振单元的径向弹性变形，由于减振单元的弹性弯杆11在这些方向上仍具有良好的弹性，因此同样具有较低的刚度和良好的减振效果。

当无人机云台受到外部冲击或较大振动时，弹性弯杆11在拉伸状态下的有限形变量和较大刚度将限制连接座2与负载座3之间超出相对位移的安全范围，这有利于确保外载设备6的稳定性和安全性，避免因位移过大而导致外载设备6损坏。当外部振动作用消失，上减振单元12和下减振单元13会迅速恢复原状，并释放之前储存的弹性势能。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、块合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于无人机云台的准零刚度六自由度减振装置，其特征在于，包括支撑装置以及设置在所述支撑装置中的若干个减振装置，其中，

所述支撑装置包括连接座、负载座和安装座；其中，外载设备安装在所述安装座上；所述连接座位于所述负载座的上方，而所述负载座则位于所述安装座的上方，该负载座与所述安装座之间设置有用于促使所述安装座绕着X轴、Y轴和Z轴转动的三轴旋转机构；

所述减振装置包括上减振单元和下减振单元；所述上减振单元和所述下减振单元均由上端面、下端面以及设置在所述上端面和所述下端面之间的弹性弯杆构成；所述上端面和所述下端面同轴设置；其中，所述上减振单元中的上端面与所述连接座的上端连接，下端面则与所述负载座的上端连接；所述下减振单元中的上端面与所述负载座的下端连接，下端面则与所述连接座的下端连接；所述弹性弯杆的横截面为月牙形截面。

2.根据权利要求1所述的用于无人机云台的准零刚度六自由度减振装置，其特征在于，所述连接座和所述负载座均设置有多个由其几何中心向外延伸的连接臂，多个连接臂呈圆周分布；所述连接臂的末端开设有凹槽以及与所述上减振单元或所述下减振单元的上端面或下端面连接固定的螺栓孔。

3.根据权利要求2所述的用于无人机云台的准零刚度六自由度减振装置，其特征在于，所述连接座包括上支撑板和下支撑板，其中，所述上减振单元的下端面与所述负载座的上端通过螺栓固连，该上减振单元的上端面与所述上支撑板通过螺栓固连；所述下减振单元的上端面与所述负载座的下端通过螺栓固连，该下减振单元的下端面与所述下支撑板通过螺栓固连。

4.根据权利要求3所述的用于无人机云台的准零刚度六自由度减振装置，其特征在于，所述连接座的上端设置有挂架，所述挂架与无人机机身底部连接。

5.根据权利要求3所述的用于无人机云台的准零刚度六自由度减振装置，其特征在于，所述连接座的连接臂在其末端向下弯曲呈U形，以此形成该连接座的下支撑板。

6.根据权利要求1所述的用于无人机云台的准零刚度六自由度减振装置，其特征在于，所述上减振单元的弹性弯杆在长度方向上的引导线为二维曲线，由双曲线函数表示；该引导线的对称轴与所述上减振单元的上端面和下端面之间的中间平面相重合。

7.根据权利要求1所述的用于无人机云台的准零刚度六自由度减振装置，其特征在于，所述下减振单元的弹性弯杆在长度方向上的引导线为二维曲线，由三角函数表示，该引导线的对称轴与所述下减振单元上端面和下端面之间的中间平面相重合。

8.根据权利要求1所述的用于无人机云台的准零刚度六自由度减振装置，其特征在于，所述弹性弯杆的横截面中的大圆和小圆相交形成内圆弧和外圆弧，其中，所述内圆弧和所述外圆弧的两端点相接且凹向一致，以此形成所述月牙形截面。

9.根据权利要求1所述的用于无人机云台的准零刚度六自由度减振装置，其特征在于，所述支撑装置和所述减振装置均采用轻质高强度的碳纤维复合材料制作。

10.根据权利要求1所述的用于无人机云台的准零刚度六自由度减振装置，其特征在于，所述减振装置通过3D打印技术一体成型制作，其中，3D打印的材料为热塑性聚氨酯弹性体。