UAV スリップ リング: 電力、データ、連続回転のためのエンジニアリング選択ガイド

最新の無人航空機は、EO/IR カメラ、LiDAR スキャナ、安定化ビデオ ペイロード、指向性アンテナ、または機体から独立して移動するその他の機器を搭載している場合があります。ペイロードが同じ方向に繰り返し回転する必要がある場合、従来のケーブル ハーネスは最終的に機械的な制約になります。ケーブルが巻き取れたり、動きに抵抗したり、ジンバルモーターに負荷がかかったり、繰り返しのねじれにより故障したりする可能性があります。

UAV スリップ リングは、回転インターフェイス全体の電気的連続性を維持します。継続的な移動を可能にしながら、静止した機体と回転するペイロードの間で電力、制御信号、センサー出力、ビデオ、またはデジタル通信を伝送できます。

難しいのは、スリップリングをドローンで使用できるかどうかを判断することではありません。特定の軸に軸が必要かどうか、利用可能なスペースにどのアーキテクチャが適合するか、回転チャネル全体をどのようにテストするかを決定します。このアプリケーションを評価しているエンジニアは、サイトの専用ページをレビューすることもできます。UAV やその他の回転システムで使用される信号スリップ リング.

UAV スリップ リングは何をするのですか?

スリップ リングは回転電気インターフェイスです。一方の側は固定のワイヤリング ハーネスに接続され、もう一方の側はカメラ、センサー、アンテナ、またはジンバル アセンブリとともに回転します。内部接点は、両側が相対的に移動するときに必要な回路を維持します。

設計に応じて、回転インターフェイスには以下が含まれる場合があります。

• 直流電源。
• モーターまたはヒーターの電力。
• CAN、UART、RS-422、または RS-485。
• エンコーダと同期信号。
• イーサネット;
• HD-SDI または別のビデオ インターフェース。
• RF 同軸チャネル。
• または光回転チャネルと組み合わせた電気回路。

回路数だけでは互換性は確立されません。十分な導体を備えたスリップ リングは、イーサネット、HD ビデオ、低レベルのアナログ センサー、または RF には自動的には適しません。-完全なチャネルは、実際のインターフェースに必要な電気的特性を保持する必要があります。

UAV 軸には実際にスリップ リングが必要ですか?

最初の決定は、すべてのカメラ ジンバルが無制限の回転を必要とするという前提ではなく、実際の動きのエンベロープに基づいて行う必要があります。

Moog が公開した電気光学システム情報には、連続回転軸上のスリップ リングと、走査または制限された回転軸上のツイスト カプセルについて説明されています。-また、高帯域幅スリップ リング、光ファイバー ロータリー ジョイント、多重化が、回転 EO システム用のさまざまなツールとして特定されています。-Moog の電気-光学ロータリー- インターフェースの例を確認してください.

軸が制御された角度で移動し、曲げ半径、サイクル寿命、および配線を検証できる場合は、ケーブル ループがより簡単なソリューションになる可能性があります。巻き戻しルーチンを行わずに軸を複数回回転させる必要がある場合、またはケーブルのトルクがポインティング性能を妨げる可能性がある場合、スリップ リングはより強力になります。

UAV スリップ リングはどこで使用されますか?

EO/IR および安定化カメラ ジンバル

安定化されたカメラは、航空機とは独立して回転して、ターゲットを追跡したり、選択された視線を維持したりできます。アジマス軸またはロール軸が連続回転する必要がある場合、スリップ リングは同じ機械的ジョイントを介してペイロード電力、モーターまたはヒーター回路、制御通信、エンコーダ フィードバック、およびビデオを伝送する必要がある場合があります。

コンパクトなジンバルは、多くの場合、次のレビューから始まります。カプセルスリップリング構成ただし、標準カプセルは、トルク、回路割り当て、プロトコルの互換性、温度範囲、寿命を実際のミッションに対してチェックした後にのみ選択する必要があります。

LiDAR と回転スキャナ

回転する LiDAR またはスキャン ペイロードには、電力、タイミング、同期、イーサネット、およびその他のセンサー データが必要な場合があります。エンジニアは、スキャナが連続的に回転するか振動するか、必要な帯域幅はどれくらいか、加速時や方向変更時にデータリンクにエラーが発生しないようにする必要があるかどうかを文書化する必要があります。-

回転アンテナと RF ペイロード

指向性アンテナは、DC 電力、制御、位置フィードバック、および 1 つ以上の RF チャネルを組み合わせることができます。 RF パスを通常の信号線として扱うべきではありません。周波数範囲、挿入損失、リターンロス、絶縁、コネクタの種類、位相安定性により、専用のロータリー ジョイントまたは専用のハイブリッド アセンブリが必要になる場合があります。-

テザーリール

テザー式 UAV システムでは、スリップ リングが空中ペイロードではなく地上側のリールに取り付けられる場合があります。{0}}リール インターフェイスは、テザーが展開または格納されている間も電力と通信を維持できます。このアプリケーションは通常、小型ジンバル スリップ リングとは異なる電流、ケーブル管理、熱、メンテナンス プロファイルを備えています。-

UAV スリップ リングを選択するための主要な要件

1. 回路ごとに電力を定義する

すべての電気負荷を個別にリストします。回路ごとに、以下を記録します。

• 公称電圧。
• 連続電流。
• ピーク電流または起動電流。
• 最大許容電圧降下。
• 断熱要件。
• 接地配置。
• および予想されるデューティサイクル。

平均電流のみからインターフェイスのサイズを決定しないでください。モーター、ヒーター、照明ユニット、その他の負荷は、定常状態値を超える起動電流または過渡電流を生成する可能性があります。-。テスト計画では、最も要求の厳しい代表的な負荷の下での電圧降下と温度上昇を検証する必要があります。

2. 正確なデータ インターフェイスを特定する

「信号線が 6 本」などの要件では十分ではありません。プロトコル、速度、ケーブル構造、コネクタ、シールド、および許容基準を記載します。

イーサネットの場合は、「イーサネット」という単語を単独で使用するのではなく、必要なイーサネットの種類を指定します。のIEEE 802.3ワーキンググループイーサネット ネットワークの標準を開発しているため、選択したロータリー チャネルは、ペイロードで使用される実際の物理層の実装に対して評価する必要があります。{0}}

サプライヤーの有用な証拠には次のようなものがあります。

• サポートされているイーサネット速度と物理インターフェイス。
• 特性インピーダンス制御。
• 生産ケーブルとコネクタの構成。
• 該当する場合、挿入損失と反射損失-の結果。
• ローテーション中のパケット-損失またはビットエラー-のテスト。
• 速度と動作プロファイルをテストします。
• 代表的なモーターと電源ノイズの下でのパフォーマンス。

詳しい背景については、このサイトを参照してください。イーサネット スリップ リング ガイド。ユニットが「イーサネットをサポートしている」というサプライヤーの声明でも、特定のプロトコル、ケーブル長、コネクタの配置、回転速度、およびシステム環境を確認する必要があります。

ビデオ インターフェイスにも同じレベルの精度が必要です。たとえば、HD-SDI を使用するプロジェクトでは、低電流信号回路が動作すると仮定するのではなく、完全な回転ビデオ パスを検証する必要があります。-このサイトでは、例も紹介しています。HD{0}}SDI およびイーサネット伝送用に構成されたカスタム電気スリップ リング.

3. 動作プロファイルを文書化する

動作要件には以下を含める必要があります。

• 連続的または断続的な回転。
• 通常速度と最高速度。
• 加速と減速。
• 方向転換の頻度。
• 滞留期間。
• ミッション期間。
• 年間動作サイクル。
• 必要な総回転数。

ミッションごとに数分間ゆっくりと移動するスリップ リングは、数時間連続してスキャンするスリップ リングとは異なる摩耗プロファイルを持ちます。速度は、動的抵抗、ブラシの動作、トルク、発熱、データの安定性にも影響します。

4. サイズ、重量、ボア、およびトルク制限を設定します。

UAV ジンバルの場合、機械的エンベロープは以下を定義する必要があります。

• 最大外径;
• 最大軸長。
• 最大質量。
• 必要な中心穴。
• 取り付け方法。
• リード線の出口方向。{0}}
• コネクタの位置。
• 始動トルク。
• ランニングトルク。
• そしてバランス要件。

始動トルクとトルクの変動は低速トラッキングに影響を与える可能性があります。-過剰なトルクまたは一貫性のないトルクは、起動の躊躇、ジンバルのジッター、電流スパイク、またはポインティングの安定性の低下として現れることがあります。したがって、スリップ リングはジンバルの機械的負荷モデルに含める必要があります。

5. 実際の動作環境を定義する

「航空宇宙グレードのスリップ リング」というリクエストは曖昧すぎます。{0}要件では、以下を含む実際の動作および保管条件を特定する必要があります。

• 最低温度と最高温度。
• 高度または気圧。
• 熱サイクル。
• 湿気と結露。
• 雨、塵、砂にさらされる。
• 関連する場合は塩の雰囲気。
• 衝撃と振動。
• そして電磁環境。

軍事または防衛プログラムの場合、環境基準が契約上の試験基準の一部を形成する場合があります。公式の説明では、MIL-STD-810現実的な耐用年数ストレスに基づいて環境を調整することを重視します。{0}これは、すべてのコンポーネント仕様に変更せずにコピーする必要があるテストの普遍的なリストではありません。

選択されたテスト、レベル、軸、期間、動作状態、および合格基準は、プラットフォーム環境とプログラム要件に基づいて決定される必要があります。

6. 寿命とメンテナンスを測定可能な言葉で定義する

「長寿命」は技術的な要件ではありません。寿命を 1 つ以上の測定可能な量として定義します。

• 総回転数。
• 営業時間;
• ミッションまたはデューティサイクル。
• 保管寿命。
• 許可されたメンテナンス間隔。
• 耐用年数が終了するまでの許容可能なパフォーマンスの変化。

アクセシビリティも重要です。密封されたペイロード内に埋め込まれたスリップ リングを交換するには、大規模な分解が必要になる場合があります。したがって、寿命が長くなり、メンテナンスが少なくて済む-設計は、たとえ初期コストが高くても、プログラム全体のリスクを軽減できる可能性があります。

機械アーキテクチャの選択

カプセルスリップリング

カプセル スリップ リングは、コンタクト、ハウジング、ベアリング、リード線をコンパクトなアセンブリにパッケージ化します。大きなセンターボアが必要ない場合の小型ジンバルに適しています。エンジニアは、トルク、配線、環境シール、信号の割り当て、および認定ステータスを確認する必要があります。

通常とは異なる回路割り当てや航空宇宙用パッケージングを使用するプロジェクトでも、これを検討できます。航空宇宙回転-システム カプセル スリップ リングの例カスタマイズできるパラメータの種類の参考として。製品の適合性は、現在の図面とデータシートと照合して確認する必要があります。

スルー-ボアスリップリング

貫通ボア設計では、シャフト、光路、構造部材、流体ライン、または別個のロータリー ジョイント用の中央開口部が残ります。-一般に、ボアのないカプセルよりも多くの半径方向のスペースが必要です。エンジニアは利用可能なものを比較できますスルーホールスリップリング構成軸構造で中央通路が必要な場合。

パンケーキ スリップ リング

パンケーキまたはプラッター レイアウトは、導電パスを放射状に配置することで軸方向の高さを減らします。その代償として、半径方向の面積が大きくなり、摩耗粉、静電容量、クロストーク、制御されたインピーダンス信号の管理がより困難になる可能性があります。-利用可能パンケーキスリップリングのデザインしたがって、機械的要件と信号整合性要件の両方に対して評価する必要があります。{0}}

電気および光ハイブリッド インターフェイス

ペイロードが電力だけでなく高帯域幅のデータも必要とする場合、回転ジョイントは銅線回路と光ファイバー ロータリー ジョイントを組み合わせることがあります。-電気チャネルは電力を伝送し、より低い周波数制御を行うことができます。一方、光パスは高速データを伝送します。-このアプローチにより、帯域幅や電磁絶縁を改善できますが、調整、コネクタ、パッケージング、認定の複雑さも追加されます。

実用的な UAV スリップ リング選択ワークフロー

ステップ 1: 回転軸を横切るすべてのものをマッピングする

電源、制御、ビデオ、イーサネット、RF、光ファイバー、接地、シールド、コネクタ、機械ルーティングを含む単一のインターフェース制御リストを作成します。{0}

ステップ 2: ローテーション要件を確認する

軸に継続的な回転が必要か、複数回転の繰り返し移動が必要か、または限定された角度のスキャンが必要かを決定します。-これにより、スリップ リング、ケーブル ループ、ツイスト カプセル、またはハイブリッド ソリューションを評価する必要があるかどうかが決まります。

ステップ 3: 管理された要件マトリクスを構築する

必須要件を設定から分離します。寸法、電流、データ速度、寿命、または環境条件を非公式な電子メールの声明として残さないでください。

ステップ 4: カスタム設計をリクエストする前に標準製品を比較する

標準製品は、電気定格、信号性能、トルク、寸法、環境、寿命、およびドキュメントがすでにプロジェクトと一致している場合、開発労力を軽減できます。

A カスタムスリップリングソリューションプロジェクトで、異常な寸法、大電流と敏感なチャネルの混合、特殊なコネクタ、制御されたインピーダンス データ、光または RF の統合、低トルク、環境シール、冗長性、またはプログラム固有の検証が必要な場合に適切になります。{{0}

ステップ 5: 実際のシステムでプロトタイプを作成する

製造担当者と候補者をテストします。-

• ジンバルモーターとコントローラー。
• 電源;
• カメラ、センサー、またはアンテナ。
• ワイヤーハーネスとコネクタ。
• 通信プロトコル。
• 接地およびシールドの配置。
• そしてオペレーティングソフトウェア。

コンポーネントは、スタンドアロンの導通テストに合格しても、モーター ドライブまたはスイッチング パワー コンバーターの横に設置した後でも不合格となる場合があります。

ステップ 6: 動的検証と環境検証を実行する

スリップ リングが回転し、代表的な電流が流れ、実際のデータが転送されている間にテストします。出発点として役立つのは、次のサイトのガイドです。スリップリングをテストする方法ただし、最終的な手順と合格制限は、プロジェクトの仕様と承認されたテスト計画に基づいて決定される必要があります。

ステップ 7: インターフェースと受け入れ基準を固定する

製造前に、図面、ピン配置、ワイヤの長さ、取り付け公差、トルク制限、電気的制限、データ基準、環境テスト、トレーサビリティ、変更管理プロセスを承認します。{0}}

メーカーのインストール手順機械的インターフェースがフリーズする前に確認する必要もあります。不適切な位置合わせ、サポートされていない荷重、不十分なリード線の配線、または意図しないベアリング荷重により、コンポーネント レベルのパフォーマンスが無効になる可能性があります。-

EO/IR ジンバルの要件の例

次の例は架空のものであり、要件構築プロセスを示すためにのみ含まれています。{0}製品を推奨するものではありません。

この架空の例では、年間ローテーションの推定値は次のようになります。

20 rpm × 40 分 × 300 ミッション=240、年間回転数。

この数値は最終的な寿命要件ではありません。プロジェクト チームは、資格マージン、地上テスト、部分的なミッション、予期しないデューティ サイクル、保管、および計画されたサービス間隔を考慮する必要があります。この計算は、操作ステートメントを測定可能なエンジニアリング入力に変換するだけです。

イーサネット、ビデオ、機密信号を検証する方法

高速データは完全なチャネルとして検証される必要があります。-スリップ リング、リード線、コネクタ、PCB トランジション、接地、受信機器はすべて性能に影響します。

イーサネットまたはデジタル ビデオの場合、テスト計画には次のものが含まれる場合があります。

• リンクの確立と回復。
• ローテーション中の継続的なパケット送信。
• パケット-損失またはビットエラー-の制限。
• 発進時、加速時、逆転時のパフォーマンス。
• アクティブなモーターおよび電源回路の横での動作。
• 温度-の極限テスト。
• 隣接するチャンネル間のクロストーク。
• 耐久サイクリング後のパフォーマンス。

低レベルのアナログ、エンコーダ、同期信号には、ノイズ、オフセット、ジッター、波形歪みなどの異なる許容基準が必要になる場合があります。電力と敏感な信号は、意図的なシールド、リターンパス、物理的な分離を行って割り当てられる必要があります。

サイト固有のガイダンスの詳細については、-に関する記事をご覧ください。スリップリングシステムにおける電磁適合性.

防衛プログラムが参照する可能性があるミル-STD-461EMI放射と感受性の要件に対応します。公式範囲では、この規格は定義された種類の機器およびサブシステムを対象としており、すべてのモジュールまたはプラットフォーム全体に無差別に適用すべきではないことも説明されています。したがって、適用されるテストは、プログラムのシステムと契約上の要件によって決定される必要があります。

UAV スリップ リング障害の一般的な症状

認定テストと本番受け入れテスト

認定テストは、その設計が定義された動作要件および環境要件を満たしていることを実証します。これには次のものが含まれる場合があります。

• 動的接触抵抗の変化-
• 電圧降下と温度上昇。
• 始動トルクと走行トルク。
• 絶縁抵抗と絶縁耐力。
• データ スループット、パケット損失、またはビットエラーのパフォーマンス。-
• ビデオの継続性。
• EMIとクロストーク。
• 衝撃と振動。
• 極端な温度と熱サイクル。
• 湿度または密閉テスト。
• そして耐久人生。

製造受け入れテストでは、製造されたユニットが承認された設計に適合していることを確認します。通常はこれより狭く、次のものが含まれる場合があります。

• 目視および寸法検査。
• ピン配列と導通性。
• 絶縁および誘電試験。
• 接触抵抗。
• トルク;
• 基本的な機能信号テスト。
• 文書化またはトレーサビリティのレビュー。

実際の受け入れ計画は、メーカーの管理されたプロセスに関連付けられる必要があります。購入者は ByTune のページをレビューできます。スリップリングの品質管理そして製造能力サプライヤーの文書と検査要件を定義する前に。

UAV スリップ リングは標準ですか、それともカスタムですか?

標準のスリップ リングは、次のような場合に適しています。

• 電流および電圧定格が負荷を満たしていること。
• 正確なデータ インターフェイスが検証されています。
• サイズ、質量、ボア、トルクがジンバルに適合します。
• 環境評価が使命と一致していること。
• 期待される寿命は十分です。
• 利用可能なドキュメントはプロジェクトを満足させます。

プロジェクトで次のことが必要な場合、カスタム設計はより合理的になります。

• 独自の直径、軸方向の長さ、または中心穴。
• 質量またはトルクが異常に低い。
• 大電流と高感度信号の混合回路。-
• 検証済みのイーサネット、ビデオ、RF、または光チャネル。
• 特別なコネクタまたはケーブル出口。
• 環境シール。
• 冗長回路。
• またはプログラム固有の認定とトレーサビリティ-。

カスタマイズにより、定義されたシステム リスクを解決する必要があります。アプリケーションが航空宇宙として説明されているという理由だけでこれを選択すべきではありません。標準候補とカスタム候補は、同じ要件マトリックスと合格基準を使用して比較する必要があります。

UAV スリップ リングの RFQ と一緒に送信する質問

• 軸には継続的な回転が必要ですか、それとも限られた角度の移動が必要ですか?{0}}
• 通常回転速度と最高回転速度はどれくらいですか?
• ミッション数、稼働時間、総回転数はどれくらい必要ですか?
• 各電源回路の公称電圧、連続電流、ピーク電流はいくらですか?
• どの通信、ビデオ、RF、または光インターフェイスが軸を横切る必要がありますか?
• 各インターフェイスにはどのようなデータ レート、ケーブル、コネクタ、受け入れテストが適用されますか?
• 最大直径、長さ、質量、内径、トルクはいくらですか?
• どのような取り付け方法とリード線の出口が必要ですか?{0}}
• 動作環境や保管環境はどのようなものですか?
• どのような衝撃、振動、温度、湿度、密閉、EMI 試験が適用されますか?
• ペイロード組立後のメンテナンスは可能ですか？
• どの認定レポート、検査記録、トレーサビリティ文書が必要ですか?
• 生産数量、試作数量、納期はどの程度を予定していますか?

UAV スリップ リングの最終選択チェックリスト

• 回転範囲と動作プロファイルが定義されています。
• 通常速度と最大速度が定義されています。
• デューティサイクルと総寿命を計算。
• すべての電源回路は連続電流とピーク電流とともにリストされています。
• すべての信号およびデータ プロトコルが識別される。
• イーサネット、ビデオ、RF、または光の許容基準が定義されています。
• 最大寸法、質量、内径、およびトルクが承認されています。
• 取り付け、位置合わせ、コネクタ、およびケーブルの配線が制御されます。
• 動作環境と保管環境を文書化します。
• 衝撃、振動、温度、湿度、密閉性、EMI テストをカスタマイズ。
• 認定テストと製造受け入れテストは分離されています。
• メンテナンスおよび交換アクセスの見直し。
• 必須のサプライヤー文書とトレーサビリティの定義。
• 標準オプションとカスタム オプションを同じマトリックスに対して比較します。

UAV スリップ リングは、独立したコネクタとしてではなく、完全な回転ペイロードの一部として選択する必要があります。見積りを依頼する前に、回転プロファイル、電気負荷、データ インターフェース、機械的エンベロープ、動作環境、寿命目標、および合格基準を 1 つの管理された文書で準備してください。

その情報が入手可能になったら、アプリケーション要件をエンジニアリングチームに送信します標準の製品レビューやカスタム スリップ リングの評価-。