在制造无人机时，振动是一个常见的障碍，需要加以克服。过度振动可能会在飞行或测试过程中引起问题。
在本文中，我们将展示两种解决无人机动力测试台振动问题的方法：仿真和实验测试。我们使用阻尼器改变基本频率的解决方案，与您在无人机上使用的方案类似。
摘要：
- 背景
- 动力测试台的振动
- 振动仿真
- 实验测试
- 无人机中的振动
背景 - Flight Stand架的设计
我们最近发布了全新的 Flight Stand 15/ 50，这是一款专为测试无人机而设计的动力测试台/测功机，可承受高达 50 kgf 的推力。该台架采用中空管结构，以提供更好的空气动力学性能以及改进的电缆管理，电缆在管内穿过，而不是沿管外布置。
设计动力测试台时面临的一项突出挑战是限制推进系统测试期间的振动。如前所述，台架的基本形状是一个垂直管，必须容纳一个力测量单元 (FMU)，并在顶部固定电机和螺旋桨（图 1）。
该台架用于测试电机和螺旋桨，而这些部件本身会产生振动，可能损坏设备。为了优化和保护台架，我们进行了一系列与四旋翼机臂等无人机部件类似的振动测试。本文概述了我们的实验步骤和结果。
图 1：Flight Stand 的早期设计概念。
动力测试台的振动
动力测试台可适配客户的电机和螺旋桨，因此设计参数也会有所不同。其中一个对系统频率有很大影响的参数是总质量。
下面的公式展示了质量增加将如何降低系统的固有频率。该台架可以测量很大范围的推力，因此会使用不同质量的螺旋桨和电机。根据用户的螺旋桨和电机质量，固有频率会发生变化 [1]：
由于可测试推进系统的质量、螺旋桨尺寸和推力存在差异，动力测试台可能会在很宽的频率范围内运行。因此，结构的共振频率可能会落在台架的工作范围内。
当结构的固有频率受到激励时，就会发生共振，导致振动幅度增大，或者说结构出现更大的位移。维持该频率会导致激励增加，并可能导致结构损坏或失效。
共振危险的一个常见例子是 1940 年塔科马大桥倒塌。虽然倒塌有几个原因，但主要因素是共振导致大桥扭曲并产生无法控制的移动。
振动仿真
在设计台架时，我们注意到固有频率会落在工作范围内。动力测试台具有测量 1.5 kgf 至 50 kgf 范围内的能力，这对应于转速在 1,000 至 10,000+ RPM 之间的螺旋桨，对应于约 16 Hz 至 200 Hz 的频率。
我们进行了一些振动仿真，以观察台架对各种振动模式的反应，如图 2 所示。振动模式代表如果维持某种振动时会发生的运动。重要的是要避免长时间在这些模式下运行台架，以防止共振。
图 2：动力测试台的振动模式（*请注意，这些是早期测试，不反映 Flight Stand 15 /50 的当前数据*）
实验测试
我们制作了一个原型台架，以便更好地了解这些振动在实际中会如何影响台架。虽然仿真非常有用，但了解台架在实际测试中受振动的影响也很重要。
图 3 中的台架在顶部安装了可适配电机支架，而不是 FMU。使用单侧修整过的螺旋桨来制造系统的失衡。
图 3：用于振动测试的原型动力测试台
使用 Flight Stand 软件记录了振动动态。一个关键的观察结果是稳定底座的重要性。当台架未牢固地固定在地面上时，底座会产生更多移动，导致共振频率降低和振动读数更高。
图 4 展示了如何通过测试确定共振频率。电机启动并缓慢增加螺旋桨转速后，在整个测试过程中可以看到振动的大幅跳跃，这可能与共振有关。
图 4：随着螺旋桨转速增加的动力测试台振动
考虑了夹心支架等典型阻尼方法，然而振动阻尼器必须与振动发生的相同方向使用。台架上可用于安装阻尼器的位置是垂直方向，但振动主要发生在水平方向，这带来了挑战。
初步测试是在内部设计并组装的原型上进行的。第二轮测试使用了一个正式的原型，在车间以正确的公差和配合加工而成。在这些测试中，噪音极小，台架非常刚性。与之前的测试一样，我们观察到底座的稳定性非常重要。
当台架直接固定在混凝土中时，台架几乎没有振动，在记录到的最高振动时噪音也极小。当安装在导轨上时，台架仍然有极小的噪音和移动，但振动读数更高，台架也略微不那么稳定。
如果台架安装在导轨上存在严重的振动或噪音问题，我们建议添加更多混凝土紧固件，以限制导轨的移动。
无人机中的振动
动力测试台观察到的振动与无人机中观察到的振动之间存在相似之处。在这两种情况下，振动都是由螺旋桨和电机的运动引起的，而无人机由于设计为持续运动并携带脆弱的电子设备，因此增加了复杂性。
无人机配备了许多传感器来监测系统，并提供有关飞行器位置和速度的有用数据，但额外的实验室测试可以帮助预测并防止振动对结构和脆弱电子元件造成的损坏。
图 5：携带摄像机载荷的飞行无人机
参考文献 [2] 深入解释了多旋翼机架的振动分析，与本文所述的测试有一些相似之处。首先，进行推进系统实验，以确定螺旋桨引起最大振动的转速。
有了这些信息，完成模态仿真分析，随后进行激励实验，以观察频率如何影响系统。
失衡是无人机振动的主要来源。查看我们的白皮书以了解更多：螺旋桨失衡对无人机性能的影响。
结论
如前所述，动力测试台和无人机部件的振动测试过程相似。仿真和计算是该过程的重要组成部分，随后进行实验测试。
这些实验可以为设计人员提供重要见解，并最终帮助减少测试工具及其所测试的飞行器中的振动。
延伸阅读：如何制作动力测试台（轴承和铰链）
参考文献
[1] Engineering ToolBox, (2017). 梁的固有振动频率。[在线] 可在以下地址获取：https://www.engineeringtoolbox.com/structures-vibration-frequency-d_1989.html
[2] J. Verbeke, S. Debruyne, “无人机多旋翼机架的振动分析，”发表于 ISMA2016 会议论文集，2016，第2329-2338页。