Micasense RedEdge-MX多光谱传感装置结构

　　做无人机载荷配套结构设计快八年，经手的航测传感设备三维建模项目不下四十个，这次拆解还原Micasense这款多光谱传感单元的结构，最开始是给南方做精准农业植保服务的客户做适配挂架用的，当时客户拿过来的实机外壳有一处安装耳断裂，需要重新做适配件同时复刻整机结构做挂载振动仿真，前前后后测了三回实机尺寸才把所有安装边界卡准。

　　先讲实际落地的应用场景，这款传感单元目前用得最多的就是旋翼无人机的航测挂载，除了大家熟悉的大田作物长势监测、植被指数反演，还有不少做水体生态监测的团队用它测蓝藻、水生植被覆盖度，甚至有做考古遥感的团队拿它拍遗址区的土壤植被差异找遗迹线索。实际作业的时候它是和飞控系统做硬连接的，飞控输出的触发信号同步五个镜头的曝光，同时记录POS数据，后期拼接的时候才能把每个波段的影像和地理坐标对应上，所以结构设计上首先要考虑的就是和不同无人机挂载平台的适配性，还有振动工况下的光轴稳定性。

　　从功能特性来看，这款设备核心是五个独立的成像通道，分别对应蓝、绿、红、红边、近红外五个特征波段，每个镜头后面都有独立的滤光片和成像传感器，所以正面的五个镜头安装位不是随便排布的——我当初建模的时候特意测过每个镜头的光轴间距，五个镜头的光心在同一个基准平面上，相邻光心的水平、垂直间距公差控制在0.1mm以内，不然后期不同波段的影像配准会出重影，尤其是低空作业的时候，焦距短景深大，光轴偏一点边缘区域的配准误差就会超过两个像素，出来的NDVI数据根本没法用。顶部的Micasense标识区域其实是上盖的密封胶条安装槽，整个设备是IP6X的防尘等级，野外作业的时候扬尘、小雨天气都能正常工作，我拆实机的时候看到上盖和主体壳体之间有一圈发泡硅橡胶密封条，螺丝锁紧之后压缩量大概在0.3mm，刚好填满壳体结合面的公差间隙。侧面的状态指示灯，红色的是电源与故障告警，旁边的暗色小窗是光强传感器，用来实时监测环境光照强度，自动调整曝光参数，避免正午强光下过曝、阴天弱光下欠曝的问题。

　　再讲设计思路上的细节，整个壳体采用的是玻纤增强PC材质，重量控制得非常严，我当初称过实机整机带存储模块才180多克，对于旋翼无人机来说，载荷重量每省10克，续航就能多出来近一分钟，所以壳体的壁厚做的是渐变设计，镜头安装位周围壁厚2.5mm，保证镜头座的刚性，避免飞行振动导致镜头移位，而侧壁非受力区域壁厚只有1.2mm，同时在壳体内侧做了网格状的加强筋，既减轻重量又能提升整体结构强度，不会因为起降的冲击出现壳体变形。侧面的快装挂耳是和壳体一体注塑出来的，挂耳上的定位销孔公差是H7，和无人机挂载板上的定位销配合之后，重复安装的定位误差能控制在0.05mm以内，不用每次装机都重新校准光轴和云台的同轴度。设备侧面的接口是藏在挂耳后面的，做了下沉式设计，插上线缆之后线缆接头不会突出到挂耳外侧，避免航拍的时候线缆被气流吹动剐蹭到云台结构，同时接口周围有一圈防水胶圈，插上线缆之后能达到IP67的防水等级，意外淋水也不会短路。

　　关于外形尺寸和安装边界，我当初测绘的时候记录的整机外形尺寸是长87mm、宽59mm、高35mm，这个尺寸是刚好适配市面上绝大多数三轴云台的挂载间距的，两个安装挂耳的中心距是70mm，挂耳上的安装孔是M3的螺纹孔，孔深4mm，锁附的时候螺丝不能拧太深，不然会顶到内部的电路板。镜头前端的保护玻璃是高透的光学石英玻璃，比普通钢化玻璃的近红外透过率高20%以上，玻璃和镜头座之间用的是光学胶粘接，不会出现热胀冷缩导致的玻璃移位问题。设备底部是散热区域，因为五个成像传感器同时工作的时候会产生一定热量，尤其是夏天高温环境下连续作业，壳体底部的金属散热片直接和内部的电路板导热垫接触，把热量导到壳体外部，避免传感器温度升高导致的热噪声变大，影响成像质量。当初做振动仿真的时候，我按照旋翼无人机的振动频谱，给模型加了2-2000Hz的随机振动载荷，测试下来镜头安装位的最大变形量只有0.02mm，完全满足光轴稳定性的要求，后来客户做的3D打印替换挂架装上去，飞了二十多个架次都没出现过影像虚焦、配准不准的问题。

　　其实做这类光学传感设备的三维建模，最容易忽略的就是光学元件的安装基准面，很多人建模的时候只画个外形，不考虑内部的安装定位结构，做出来的适配件装上去之后很容易挡到镜头视场角，这款设备每个镜头的视场角是47.2度，五个镜头的总视场拼接之后在120米航高下能覆盖大概100米见方的区域，所以建模的时候我特意把每个镜头的视场锥角做了参考面，设计挂架的时候所有结构都要避开这个视场范围，不然拍出来的影像会有暗角或者遮挡，后期数据处理的时候根本没法用。还有设备的重心位置，我当初测实机的重心刚好在两个安装挂耳连线的中点正下方，距离安装面12mm的位置，这个重心设计是非常讲究的，挂载到云台上之后不会出现偏载，云台电机不用额外出力平衡偏重力矩，既能提升云台的响应速度，也能降低云台的功耗，延长作业时间。