減震系統是多旋翼飛行器設計中非常重要的環節,好的減震系統可以很好地減輕數字濾波的負擔,同時能極大地提公升控制系統的效能;
下面針對整個減震系統做乙個簡要分析;首先,imu+減震海綿+配重塊這樣的乙個系統可以等效為彈簧-阻尼系統,如下圖所示:
我們可以建立其微分方程:
f −k
x−cx
˙=mx
¨f-kx-c\dot=m\ddot
f−kx−c
x˙=m
x¨ f
ff為施加在質量塊上的外力,寫成傳遞函式的形式即為:
x (s
)f(s
)=1m
s2+c
s+k=
1k1m
ks2+
cks+
1\frac)})}=\frac+c s+k}=\frac \frac s^+\frac s+1}
f(s)x(
s)=
ms2+
cs+k
1=k
1km
s2+
kcs
+11ωn
=km,
ζ=c2
kmk\omega_=\sqrt}, \zeta=\frac \sqrt}
ωn=mk
,ζ
=2kc
km
g (s
)=1(
s/ωn
)2+2
ζ(s/
ωn)+
1g(s)=\frac\right)^+2 \zeta\left(s / \omega_\right)+1}
g(s)=(
s/ωn
)2+
2ζ(s
/ωn
)+11
上述系統的伯德圖如下所示:
伯德圖的形狀告訴我們:這是乙個典型的低通濾波環節;要想使減震系統對機體的震動有好的濾除作用,應該盡可能使機體的振動頻率大於系統的截止頻率(對二階系統而言,截止頻率與自然頻率和阻尼比都有關,且與自然頻率同增同減);當機體的振動頻率一定的情況下,減小減震環節的自然頻率是乙個比較好的方法。
由於:ωn=
km\omega_=\sqrt}
ωn=mk
可以看出,增加質量m
mm後,系統的自然頻率ω
n\omega_
ωn減小了,這意味著系統的截止頻率降低了,對高頻雜訊的濾除作用提高了。這相當於物理系統對感測器的初始資料做了低通濾波,這將有效提公升感測器資料的穩定性。
實際上,應該使機體固有的震動頻率處於減震系統的阻帶中,並盡可能地遠離諧振峰值,起到對機體振動的衰減,一般取ff0
=2.5
−4.5
\frac=2.5-4.5
f0f=
2.5−
4.5,其中f
ff為機體的固有頻率,f
0f_0
f0為減震系統的自然頻率。
因此新增配重質量塊可有效濾除機體高頻振動帶來的高頻雜訊。與此同時,我們希望imu+減震海綿這個系統在受到外界的擾動後其振動狀態能迅速收斂至零,這就需要增加系統的阻尼比;可以看到ζ=c
2kmk
\zeta=\frac \sqrt}
ζ=2kc
km
,而c ,k
c,kc,
k決定了減震海綿的軟硬。
綜上所述,我們可以通過調整質量塊的大小和減震海綿的軟硬來滿足不同的減震效能需求。(一般先對含有高頻雜訊的感測器資料做頻譜分析,從而確定相應的減震效能引數,最後選擇適合的減震材料)
啟發1.好的減震系統對imu和控制器的效能提公升幫助相當大;
2.此前實驗中為了使感測器的資料穩定,從而一味地降低低通濾波器地截止頻率;這樣的做法雖然會濾除掉高頻雜訊,但是增加了訊號的相角滯後,降低了系統的穩定裕度和頻寬,對控制器效能不利;所以,有時問題不能很好地靠**解決時,應當轉變思路,思考物理系統設計的合理性以及可優化的方向。
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