多旋翼无人机振动分析与减振方法

振动分析

振动机制包括：

• 激励（振动源）
• 系统
• 响应

无人机振动机制：

• 激励 —— 动力系统（旋翼+电机）
• 系统 —— 机架
• 响应 —— 传感器（惯导）

无人机振动来源：

• 动不平衡，振动频率等于旋转频率
• 单个旋翼产生的周期性气动力（升力波），引起的振动二次谐波
• 多个旋翼流场相互耦合产生的二次以上的谐波

振动影响方向：

• 动不平衡 —— 水平方向
• 气动力 —— 垂直方向
  
  上图电机旋转频率为95Hz，可以看出振动信号的基频为电机旋转频率，另外存在2、4、8次谐波分量

振动对无人机的危害：
对于多旋翼飞行器而言，振动最大的危害是使惯性测量单元的测量失真，进而导致状态估计误差增大，影响控制性能，严重可使控制发散。

机架振动分析结论：

• 机臂中间段形变大于外段和内段，机臂中间段平均振幅最强
• 机架中部，形变最小，布置飞行控制器所需惯性测量单元的理想位置

无人机减振设计

减振的目标是降低高频和中频振动，同时仍然允许低频来反应实际运动与机身同步进行。
减振的手段大体可以分为两种：

• 机械减振
• 数值滤波减振

机械减振

机械减振可以作为一种有效的噪声消除手段。它通过阻挡无效信号进入传感器，从源头上滤去噪音，很多时候能实现数字滤波达不到的效果。从减振降噪的角度看，阻尼是指耗损振动的能量的能力，将振动的机械能转化为内能或其他形式的能量，从而达到减振的目的。

机械减振有几种方法

1、3M泡沫

3M 泡沫两面都有粘性，预先切割好，分别贴在飞控的四个角上

2、凝胶垫
将凝胶切成 1 厘米 ~ 2 厘米的方块，并贴在飞控的每个角落。

3、防震平台


安装时可使用双面胶，或间隔 45mm x 45mm 的 M3 螺丝

5、O型圈悬架安装

数字滤波减振

尽管机械减振的效果显著，但它需要在机械设计和材料选择上进行大量的改动和尝试，这在很多情况下并不方便。相比之下，数字滤波减振就显得更为简单和高效。它通过软件算法，将不必要的高频信号滤除。

可以通过频谱分析，使用一阶低通滤波或者带阻滤波，来滤除不必要的高频信号。

常用的一阶低通滤波器如下：