多旋翼無(wú)人機(jī)自振動(dòng)噪聲影響消除的探討

廖景威

（廣州市機(jī)電技師學(xué)院機(jī)電裝備系，廣州 510080）

0 引言

隨著多旋翼無(wú)人機(jī)被廣泛用于農(nóng)林業(yè)的植保、航拍、高壓電塔故障巡線、環(huán)境督查、無(wú)人機(jī)巡航、場(chǎng)地選址、建設(shè)勘察等，占據(jù)無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的98.6%［1］的大勢(shì)，對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)傳感器的精密控制有很大的需求。

在無(wú)人機(jī)教學(xué)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)： （1）普通的多旋翼無(wú)人機(jī)，想獲得高精準(zhǔn)的操控確實(shí)是一個(gè)難點(diǎn)，原因是多旋翼無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)造成自振動(dòng)噪聲對(duì)控制傳感器會(huì)造成干擾；（2）多旋翼無(wú)人機(jī)，在航拍時(shí)旋翼旋轉(zhuǎn)的自振動(dòng)噪聲使航拍畫(huà)面質(zhì)量也欠清晰。

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在微小型化過(guò)程中，對(duì)控制傳感器精度的要求也越高，如何降低多旋翼自振動(dòng)噪聲對(duì)控制傳感器造成的干擾，提高多旋翼無(wú)人機(jī)操控的精準(zhǔn)度，提高航拍畫(huà)面質(zhì)量是本研究的主題。

經(jīng)過(guò)多方面研究和大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用壓電陶瓷振子與主動(dòng)噪聲控制技術(shù)，可以有效減輕多旋翼無(wú)人機(jī)自振噪聲對(duì)控制傳感器的干擾。

1 多旋翼無(wú)人機(jī)自振動(dòng)噪聲

1.1 多旋翼無(wú)人機(jī)的組成

（1）機(jī)架。消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)多以塑料或碳纖維材料制作，如圖1所示，而工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)除使用碳纖維材料外，也有相當(dāng)一部分使用高級(jí)合金制作［2］。

（2）動(dòng)力裝置。整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)由電池提供動(dòng)力能源，電子調(diào)速器作為動(dòng)力的控制模塊，連接著飛行控制系統(tǒng)與動(dòng)力系統(tǒng)，再通過(guò)無(wú)刷電機(jī)或有刷電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，最后由螺旋槳產(chǎn)生的推力來(lái)驅(qū)動(dòng)整臺(tái)無(wú)人機(jī)。

圖1 碳纖維板機(jī)架

圖2 飛行控制系統(tǒng)（帶減振座）

（3）飛行控制系統(tǒng)。陀螺儀、加速度計(jì)、氣壓計(jì)、GPS及指南針模塊等傳感器與控制電路共同組成了多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)，如圖2所示。飛行控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)傳感器收到的信息反饋電子調(diào)速器，令其調(diào)節(jié)各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而自動(dòng)地調(diào)整無(wú)人機(jī)的姿態(tài)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

（4）遙控系統(tǒng)。將控制信息輸入無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)，從而人為地調(diào)整無(wú)人機(jī)的姿態(tài)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。使用遙控器對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行操控，其工作原理如圖3所示。

遙控器將控制信號(hào)發(fā)送到接收機(jī)，經(jīng)由接收機(jī)轉(zhuǎn)碼后將控制信息輸入飛行控制電路，同時(shí)，來(lái)自陀螺儀、加速度計(jì)、GPS等傳感器所偵測(cè)到的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)也一并傳入飛行控制電路。飛行控制電路根據(jù)輸入的信息運(yùn)算得出需要調(diào)節(jié)的電學(xué)量，輸入電子調(diào)速器，以控制各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)。

圖3 多旋翼無(wú)人機(jī)控制原理

1.2 多旋翼無(wú)人機(jī)振動(dòng)噪聲

小型或微型的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)對(duì)飛行過(guò)程中的控制誤差相當(dāng)敏感，在多旋翼無(wú)人機(jī)飛行的過(guò)程中，主要由電機(jī)與螺旋槳產(chǎn)生的自振無(wú)法避免，從而使飛行控制傳感器如陀螺儀、加速度計(jì)、角速度計(jì)等錄入大量噪聲信號(hào)，如圖4所示。圖中，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示無(wú)人機(jī)受到的加速度大小，以重力加速度g的倍數(shù)表示。方向x表示左右，y表示前后，z表示上下，正負(fù)根據(jù)加速度計(jì)安裝方向而定，設(shè)定的是以向左、向前、向上為正。

圖4 機(jī)載加速度計(jì)信號(hào)曲線

由圖可以看出，在對(duì)機(jī)載加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)偵測(cè)中，除了能夠看出明顯的主動(dòng)調(diào)整的動(dòng)作以外，相對(duì)高頻的抖動(dòng)一直存在于加速度計(jì)的信號(hào)中。理想的加速度計(jì)信號(hào)曲線應(yīng)是光滑的沒(méi)有寬度的曲線，多旋翼無(wú)人機(jī)即便是在懸停時(shí)，由電機(jī)與螺旋槳產(chǎn)生自振也一直影響著控制傳感器獲取的數(shù)據(jù)，由于無(wú)人機(jī)自振動(dòng)的干擾，使加速度計(jì)信號(hào)曲線產(chǎn)生了一定的線寬，一些微小的調(diào)整可能會(huì)被自振動(dòng)噪聲淹沒(méi)。

對(duì)于多旋翼無(wú)人機(jī)，電機(jī)與螺旋槳是其唯一的動(dòng)力來(lái)源，亦是其自振動(dòng)的主要產(chǎn)生者。就單個(gè)螺旋槳來(lái)說(shuō)，其產(chǎn)生的振動(dòng)頻率為：

式中：n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，r／min；Z為螺旋槳的槳葉數(shù)。

由于無(wú)人機(jī)飛行時(shí)始終處于三維空間內(nèi)，其自振動(dòng)噪聲也是空間中3個(gè)方向的波的疊加。因此，在研究時(shí)，先將其正交化，對(duì)于空間中單個(gè)方向的自振動(dòng)，寫(xiě)成多次簡(jiǎn)諧波疊加的形式：

2 自振動(dòng)噪聲干擾消除

2.1 壓電陶瓷振子

壓電陶瓷是當(dāng)下國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)較為活躍的高科技新型材料之一，被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)高科技領(lǐng)域如激光通信、衛(wèi)星導(dǎo)航定位以及生物技術(shù)等。壓電陶瓷在現(xiàn)代功能陶瓷中有著舉足輕重的地位，用途十分廣泛。壓電陶瓷振子本身屬于能量轉(zhuǎn)換器，它能夠使電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或者使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并具有響應(yīng)速度快、動(dòng)作幅度小、工作頻帶寬等特點(diǎn)，比較適合作為偵測(cè)并獲取振動(dòng)信息的傳感器［3］。

壓電陶瓷振子主要的振動(dòng)模式有7種，如圖5所示。

圖5 壓電陶瓷振子主要振動(dòng)模式

壓電陶瓷在工作過(guò)程中往往會(huì)是多種振動(dòng)模式的復(fù)雜耦合，而這里主要目的是利用其最常用到的厚度伸縮振動(dòng)模式，同時(shí)需要抑制復(fù)雜耦合的發(fā)生。而厚度伸縮型振動(dòng)的工作條件要求振子邊長(zhǎng)或直徑遠(yuǎn)大于其厚度，最低要求壓電振子邊長(zhǎng)或直徑達(dá)到厚度10倍以上。由于整個(gè)振動(dòng)檢測(cè)部分會(huì)接收到來(lái)自不同方向的振動(dòng)波，因此為了得到比較好的方向性，以免除復(fù)雜耦合振動(dòng)的干擾，則應(yīng)使邊長(zhǎng)或直徑與厚度之比在50倍左右。使薄形矩形片壓電陶瓷振子能夠沿厚度方向極化，以利用其檢測(cè)振動(dòng)方向沿厚度方向的自振動(dòng)信號(hào)，如圖6所示。

圖6 壓電陶瓷振子規(guī)格

圖7 三維平衡夾具模型及爆炸示意圖

設(shè)計(jì)的壓電片規(guī)格為5 mm×3 mm×0.1 mm，基本達(dá)到其方向性要求。壓電陶瓷振子的結(jié)構(gòu)選用了懸臂加配重式作為自振動(dòng)的偵測(cè)部分。使用定量的焊錫作為配重，極大增強(qiáng)了偵測(cè)機(jī)構(gòu)后期調(diào)整的靈活性，能夠方便地對(duì)壓電陶瓷振子的響應(yīng)速度與響應(yīng)強(qiáng)度作出調(diào)整。

為了得到3個(gè)正交方向的振動(dòng)信號(hào)，需要將3個(gè)壓電陶瓷振子裝夾在3個(gè)方向上，且要求受到的初始?jí)毫ο嗟?。為此設(shè)計(jì)了一個(gè)三維平衡夾具，如圖7所示。

利用正方體的3個(gè)正交面作為基準(zhǔn)，每個(gè)面開(kāi)出一道深度為壓電陶瓷振子一半的溝槽，以固定振子減輕單個(gè)振子受到其他方向耦合振動(dòng)的影響，再加上正方體的另一部分，以螺絲壓緊。這樣就保證了3個(gè)方向的壓電陶瓷振子受到的初始?jí)毫ζ胶猓夷軌蛲ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)螺絲的松緊改變壓電陶瓷振子的初始直流輸出。在內(nèi)外夾具上附上電極，其中內(nèi)夾具上的是公共地端，而外夾具上則是3個(gè)正極端。

使用3D打印技術(shù)，制作三維平衡夾具的內(nèi)外夾具，由于PLA材料打印出的零件強(qiáng)度較低，裝夾效果不好，為了獲得較好的裝夾效果，采用了光固化光敏樹(shù)脂制作夾具。

2.2 主動(dòng)噪聲控制

主動(dòng)噪聲控制技術(shù)（Active Noise Control，ANC）又稱(chēng)有源降噪技術(shù)［4］。

利用與包含信息的一次聲源同一空間環(huán)境下取得的實(shí)時(shí)噪音源作為二次聲源，處理得到與一次聲源中幅值相等，相位相反的信號(hào)，并與一次聲源進(jìn)行疊加，令其達(dá)到消減噪音的目的［5－6］。如圖8 所示。

圖8 主動(dòng)噪聲控制原理

信號(hào)源x（n）與參考源y（n）均來(lái)自于環(huán)境聲，參考源y（n）經(jīng)過(guò)自適應(yīng)濾波器處理后反相，并且與信號(hào)源x（n）疊加，最終得到被降噪的信號(hào)s（n）。如圖9所示。這樣，能夠降低傳感器信號(hào)中的自振動(dòng)噪聲的干擾，優(yōu)化飛行控制系統(tǒng)。

圖9 基于無(wú)人機(jī)的主動(dòng)噪聲控制

由圖可知，多旋翼無(wú)人機(jī)的控制信號(hào)主要分為兩大類(lèi)，一是包含陀螺儀、加速度計(jì)、GPS等傳感器數(shù)據(jù)的自主穩(wěn)定控制信號(hào)x（n），另一類(lèi)是由遙控器控制信號(hào)或程序自動(dòng)控制信號(hào)組成的主動(dòng)控制信號(hào)k（n）。其中傳感器自動(dòng)穩(wěn)定控制信號(hào)x（n）中包含有影響飛行控制判決的自振動(dòng)噪聲，需要應(yīng)用主動(dòng)噪聲控制濾除這部分自振動(dòng)噪聲。

由于壓電陶瓷振子輸出信號(hào)強(qiáng)度較小，需要經(jīng)過(guò)放大才能為后續(xù)處理所用，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)可調(diào)比例運(yùn)算放大電路，如圖10所示。選用OPA2134高保真精密音頻運(yùn)算放大器，減少壓電陶瓷振子信號(hào)失真，保證主動(dòng)噪聲控制的效果。

圖10 可調(diào)比例運(yùn)算放大電路

選用OPA2134的另一個(gè)重要原因是，其在同系列高保真音頻放大器中轉(zhuǎn)換速率比較高，對(duì)高頻的信號(hào)處理也不會(huì)產(chǎn)生太大的延遲。設(shè)計(jì)成可調(diào)比例的運(yùn)算放大電路，是為了增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的普適性，方便后期調(diào)校。

將經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大電路處理過(guò)的無(wú)人機(jī)自振動(dòng)信號(hào)，以及傳感器輸出的姿態(tài)信號(hào)共同輸入到主動(dòng)噪聲控制模塊，如圖11所示。

圖11 會(huì)聽(tīng)聲學(xué)主動(dòng)噪聲控制模塊

由于自振動(dòng)信號(hào)是經(jīng)由反相放大輸出，而主動(dòng)噪聲控制模塊已經(jīng)集成有反相疊加電路，因此輸入時(shí)需要反相輸入。經(jīng)過(guò)降噪模塊后，輸出的信號(hào)傳入無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)上原傳感器的輸入位置，取代原傳感器帶有自振動(dòng)噪聲的控制信號(hào)，降低自振動(dòng)噪聲對(duì)飛行控制系統(tǒng)的影響。

圖12所示為降噪后信號(hào)曲線，對(duì)比降噪前信號(hào)曲線（圖4）可以看到，經(jīng)過(guò)主動(dòng)噪聲控制后，圖12中的加速度計(jì)信號(hào)曲線線寬明顯變窄，有效削減無(wú)人機(jī)自振動(dòng)噪聲近50%，在操控上，自穩(wěn)飛行懸停的漂移與擺動(dòng)幅度減輕20%～30%。

圖12 降噪后機(jī)載加速度計(jì)信號(hào)曲線對(duì)比

3 壓電陶瓷振子應(yīng)用的拓展

3.1 影像穩(wěn)定系統(tǒng)

目前市面上消費(fèi)級(jí)多旋翼無(wú)人機(jī)，航拍攝像頭幾乎都為標(biāo)準(zhǔn)配置。飛行過(guò)程中的自振動(dòng)對(duì)影像系統(tǒng)的影響也是不可避免的。較棘手的問(wèn)題則是“果凍”現(xiàn)象，指的是航拍時(shí)由于振動(dòng)導(dǎo)致畫(huà)面錯(cuò)開(kāi)，使拍攝畫(huà)面呈現(xiàn)出果凍振動(dòng)一般的扭曲。果凍現(xiàn)象在多個(gè)條件同時(shí)達(dá)成時(shí)，會(huì)使果凍現(xiàn)象更為明顯。為提高質(zhì)量視頻拍攝質(zhì)量，采用了以下幾個(gè)辦法。

（1）選擇攝錄機(jī)的成像元件從CCD改換為CMOS［7］。因當(dāng)攝錄機(jī)在抖動(dòng)的時(shí)候，CMOS也跟著不斷地抖動(dòng)，從而達(dá)成相對(duì)同步，這樣拍出的畫(huà)面會(huì)清晰很多。

（2）云臺(tái)加裝橡膠減震球。處理果凍現(xiàn)象要注意從源頭上下功夫，首先在安裝無(wú)人機(jī)時(shí)要注意對(duì)螺旋槳與電機(jī)調(diào)平衡，以減輕自振動(dòng)。然后，攝像頭云臺(tái)上加裝橡膠減震球［8］，以隔離高頻振動(dòng)，如圖13所示。物理方法處理只能減輕其果凍現(xiàn)象，并不能完全消除。

（3）應(yīng)用壓電陶瓷振子的三維自振動(dòng)偵測(cè)結(jié)構(gòu)消除果凍現(xiàn)象。在獲得無(wú)人機(jī)飛行時(shí)自振動(dòng)的信息后，通過(guò)兩種途徑對(duì)果凍現(xiàn)象進(jìn)行處理。一是純軟件運(yùn)算，對(duì)實(shí)時(shí)的自振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，應(yīng)用壓電陶瓷振子與主動(dòng)噪聲控制技術(shù)相結(jié)合，對(duì)圖像像素信息進(jìn)行處理，將帶有果凍現(xiàn)象的扭曲畫(huà)面還原為正常的畫(huà)面。二是硬件影像防抖技術(shù)，影像防抖技術(shù)包含電子影像防抖與光學(xué)成像防抖，前者是通過(guò)移動(dòng)感光元件進(jìn)行抖動(dòng)消除，而后者則是通過(guò)移動(dòng)鏡片組對(duì)抖動(dòng)進(jìn)行消除。兩者皆與主動(dòng)噪聲控制原理相通。利用獲得的自振動(dòng)信息，與影像防抖技術(shù)結(jié)合，解決果凍現(xiàn)象。

圖13 無(wú)人機(jī)減振云臺(tái)

3.2 錄音干擾處理

多旋翼無(wú)人機(jī)飛行時(shí)噪聲比較大，使得無(wú)人機(jī)航拍一直以來(lái)均是靜音拍攝。無(wú)人機(jī)錄音技術(shù)長(zhǎng)期處于空白的狀態(tài)。然而，應(yīng)用壓電陶瓷振子與主動(dòng)噪聲控制技術(shù)相結(jié)合，對(duì)空間噪聲與無(wú)人機(jī)自振動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行有效的抑制，使無(wú)人機(jī)錄音技術(shù)達(dá)到較好的效果。適應(yīng)當(dāng)下火熱的自拍、直播的風(fēng)潮。

4 結(jié)束語(yǔ)

壓電陶瓷振子的三維振動(dòng)偵測(cè)機(jī)構(gòu)，對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)飛行時(shí)的自振動(dòng)進(jìn)行偵測(cè)，獲取振動(dòng)的信號(hào)，對(duì)原傳感器信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)噪聲消除，有效削減無(wú)人機(jī)自振動(dòng)噪聲近50%，在操控上，自穩(wěn)飛行懸停的漂移與擺動(dòng)幅度減輕20%～30%。從而實(shí)現(xiàn)更精確、更穩(wěn)定的飛行控制。同時(shí)，本設(shè)計(jì)還提出解決無(wú)人機(jī)航拍時(shí)產(chǎn)生的果凍現(xiàn)象的新思路，也發(fā)掘了無(wú)人機(jī)減噪錄音實(shí)現(xiàn)的可能性。

必須指出，這個(gè)方法雖然基本能有效抑制自振動(dòng)噪聲的干擾，但不能完全消除，可能是因?yàn)閰⒖荚葱盘?hào)的延遲或者波形不吻合，使降噪效果打了折扣。要實(shí)現(xiàn)完全消除自振動(dòng)噪聲的影響，還有待進(jìn)一步探索。展望日后整個(gè)偵測(cè)與降噪機(jī)構(gòu)輕量化、小型化與集成電路化，使多旋翼無(wú)人機(jī)控制和應(yīng)用系統(tǒng)更精準(zhǔn)、更優(yōu)化。