無人機(jī)起落架地形自適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張偉哲 盧曉斐 付嘉舜 趙婧宇

摘 要：近年來隨著無人機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展，多旋翼無人機(jī)以優(yōu)良的操控性能和可垂直起降的方便性等優(yōu)點(diǎn)迅速獲得了廣大消費(fèi)群體的關(guān)注。但是現(xiàn)有旋翼無人機(jī)起落架對(duì)地形要求略為嚴(yán)苛，在特殊地形降落時(shí)，無人機(jī)往往因?yàn)榈孛娴牟黄教拱l(fā)生側(cè)翻等問題，嚴(yán)重時(shí)可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。文章在傳統(tǒng)無人機(jī)起落架設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)地形自適應(yīng)場(chǎng)景要求，對(duì)起落架減振彈簧和自由伸縮機(jī)構(gòu)提出了設(shè)計(jì)更改。并通過關(guān)鍵參數(shù)的分析，驗(yàn)證了其工程可行性和地形自適應(yīng)方面的改善作用。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；起落架；地形自適應(yīng)

中圖分類號(hào)：V214 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）22-0056-03

Abstract： In recent years， with the development of the UAV market， the multi-rotor UAV has attracted the attention of the consumers for its excellent control performance and the convenience of vertical take-off and landing. However， the landing gear of the existing rotor UAV is a little strict to the terrain. When landing on the special terrain， the UAV often rollover because of the uneven ground， which may cause huge economic losses. Based on the traditional design scheme of landing gear for unmanned aerial vehicle （UAV） and according to the requirements of terrain adaptive scene， the design changes of landing gear damping spring and free telescopic mechanism are proposed in this paper. Through the analysis of the key parameters， the feasibility of the project and the improvement of terrain adaptation are verified.

Keywords： UAV； landing gear； terrain adaptation

1 概述

現(xiàn)階段旋翼無人機(jī)在起降過程中一般采用垂直起降的飛行方式。在旋翼無人機(jī)的起落過程中，起落架是其重要器件，對(duì)它的重量，緩沖能力，安裝方式和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都有嚴(yán)格的技術(shù)要求，否則會(huì)它會(huì)對(duì)整個(gè)起降過程產(chǎn)生不利影響，甚至造成無人機(jī)的損傷?，F(xiàn)階段常見的旋翼無人機(jī)起落架結(jié)構(gòu)形式一般為斜傾或帶有弧度的垂直桿，并在垂直桿底部接一根與地面平行的直桿，還有則直接采用直桿或斜桿直接與地面接觸。這些結(jié)構(gòu)雖然簡單，但性能較差，由于起落架沒有良好的減震裝置，在較為粗暴的降落過程中，容易造成起落架彎曲變形，產(chǎn)生較大的震動(dòng)，使之機(jī)體側(cè)翻，設(shè)備損傷等現(xiàn)象。現(xiàn)有的旋翼無人機(jī)起落架在結(jié)構(gòu)、原理與使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進(jìn)一步改進(jìn)。

2 起落架總體設(shè)計(jì)

起落架總體設(shè)計(jì)思路如圖1所示，支撐件（1）與上支撐件（2）之間呈平行或相交設(shè)置，下支撐件（1）與上支撐件（2）之間通過伸縮桿部件連接固定；合理的采用了胡克定律（彈力定律F=kx）作為技術(shù)支持，基于保護(hù)飛行器掛載精密儀器而設(shè)立的一款飛行器起落架，以延長儀器的使用壽命為目的。

3 地形自適應(yīng)場(chǎng)景分析

一架旋翼無人機(jī)要在一個(gè)崎嶇不平的地面上降落，地面上有一定的突起。

操控人員控制一架旋翼無人機(jī)降落，無人機(jī)降落到一定高度時(shí)，操控人員松開電門，無人機(jī)在重力作用下垂直降落，由于地面不平整，無人機(jī)的四個(gè)圓柱型起落架必然有一個(gè)最先碰到突起的地面，這時(shí)無人機(jī)會(huì)有一個(gè)接地速度，最先接地的起落架內(nèi)部的彈簧受到擠壓，內(nèi)桿開始向套筒內(nèi)收縮，內(nèi)桿相對(duì)于擋片套筒向上滑動(dòng)，擋片滑過內(nèi)桿上的凸臺(tái)。最先接觸的起落架有一定收縮量時(shí)，其它起落架也相繼接觸到地面，并像第一根起落架那樣收縮。整個(gè)過程中無人機(jī)的速度不斷的減慢直至停止，而彈簧也在壓縮到最大值時(shí)由于彈性勢(shì)能大機(jī)體重力，彈簧有伸長的趨勢(shì)。由于內(nèi)桿上有凸臺(tái)，擋片抵住凸臺(tái)使內(nèi)桿不能向下伸出，彈簧不能伸長。無人機(jī)完成降落，靜止在地面上，各起落架桿的壓縮量會(huì)有所不同即彈簧的壓縮量有所不同，而無人機(jī)落地時(shí)的能量儲(chǔ)存在彈簧內(nèi)部，當(dāng)無人機(jī)起飛離地后進(jìn)行釋放。

4 地形自適應(yīng)元件設(shè)計(jì)

旋翼無人機(jī)在接地會(huì)受到很大的沖擊并產(chǎn)生震動(dòng)，比如不平的地面狀況，會(huì)使之側(cè)翻，因而可以為起落架加上彈簧緩沖吸收裝置，減少著陸時(shí)的沖擊力，減輕地面不平對(duì)降落產(chǎn)生的影響。該無人機(jī)起落架有外筒、帶有凸臺(tái)的內(nèi)桿、與內(nèi)桿連接的彈簧及擋片等部件組成。其結(jié)構(gòu)如圖所示。圖示起落架外筒頂部與無人機(jī)機(jī)身相連，內(nèi)桿套在外筒內(nèi)，內(nèi)桿頂部通過彈簧與外筒連接在一起。外筒底部有兩個(gè)瓣膜式的并具有一定厚度的軟擋片。內(nèi)桿上有若干個(gè)錐形凸臺(tái)，桿底部帶有一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的橡膠底座與地面接觸。

如圖2所示起落架外筒與無人機(jī)機(jī)身相連，內(nèi)桿套在外筒內(nèi)，并通過彈簧與之連接在一起。外筒底部有兩個(gè)環(huán)形花瓣式并具有一定厚度的鋼片。內(nèi)桿上有若干個(gè)錐形凸臺(tái)，桿底部帶有一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的橡膠底座與地面接觸。

5 實(shí)例驗(yàn)證及可行性分析

本文提出的是一種旋翼無人機(jī)起落架的設(shè)計(jì)方法，對(duì)于不同型號(hào)不同重量的旋翼無人機(jī)，其起落架的設(shè)計(jì)尺寸也會(huì)有相應(yīng)的改變。本文參照經(jīng)緯M-600型號(hào)六旋翼無人機(jī)的機(jī)體基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)舉例及分析，并探究3個(gè)問題，起落架支柱是否能滿足無人機(jī)降落時(shí)的強(qiáng)度要求，支柱內(nèi)部彈簧彈性剛度及凸臺(tái)的間隔尺寸的合理設(shè)計(jì)。

經(jīng)緯M-600是深圳市大疆科技有限公司在2016年在CES上發(fā)布的全新一代6旋翼飛行平臺(tái)。其部分技術(shù)參數(shù)如表1所示。

關(guān)鍵參數(shù)分析：

為了能夠進(jìn)行計(jì)算和分析，本文設(shè)定特定情景參數(shù)如下：無人機(jī)采用4根垂直起落架支柱，4根支柱按正方形均勻分布，間距為0.8m，支柱材料為碳纖維（通用型彈性模量E=1×105MPa、抗拉強(qiáng)度σ=1000MPa），內(nèi)桿直徑D1，外筒外徑D2，外筒內(nèi)徑d2。地形情況：1根起落架支柱先接觸與地面相差5cm的突起地面，其他三根支柱同時(shí)與地面接觸，旋翼無人機(jī)降落時(shí)的接地速度v=1m/s。

（1）彈簧的彈性系數(shù)K

無人機(jī)質(zhì)量m=15.6kg，重力P=mg=15.6·9.8=152.88N，設(shè)2-4號(hào)支柱的壓縮量為x，則1號(hào)支柱的壓縮量近似為x+0.05，著落的整個(gè)過程忽略摩擦消耗。

由能量守恒：P（x+0.05）+1/2mv2=1/2K（x+0.05）2+3·1/2Kx2，得K=（305.76x+155.688）/（4x2+0.1x+2.5·10-3）

對(duì)于普通的硬性支柱，一根桿先著落時(shí)，該桿會(huì)受到一個(gè)很大的撞擊力，該撞擊力不僅會(huì)使無人機(jī)彈起，還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)繞著無人機(jī)重心是無人機(jī)側(cè)翻的力矩。

該撞擊力：

Fd=kΔd=P（1+=152.88·（1+=576.4N

Δst=P/k k：降落地面剛度系數(shù)取100N/mm。

該撞擊力的力矩為：Md=Fd·0.8·/2=163.03N/m

而在無人機(jī)降落過程中，1支柱所受支持力比234支柱的撞擊力大ΔF=K·0.05

產(chǎn)生的側(cè)翻力矩為M2= K·0.05·1/2·0.8

由以上可知彈簧的彈性系數(shù)越大，側(cè)翻力矩也越大，降落時(shí)既不希望彈簧剛度太小使壓縮量過大，從而造成結(jié)構(gòu)尺寸過大，也不希望彈簧彈性系數(shù)太大使無人機(jī)降落不穩(wěn)定，故取一個(gè)合理的彈性系數(shù)值，該值可取K=312N/m，則彈簧壓縮量x=0.3m，此時(shí)M2=8.8N/m。

（2）內(nèi)桿臺(tái)階的間距δ

當(dāng)桿向內(nèi)收縮，擋片會(huì)越過一個(gè)個(gè)凸臺(tái)，當(dāng)擋片越過最后一個(gè)凸臺(tái)后，彈簧繼續(xù)壓縮，擋片繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，但未達(dá)到下一個(gè)凸臺(tái)，這時(shí)，彈簧就會(huì)伸張，支柱會(huì)有個(gè)小的反跳。考慮到不確定性，假定彈簧伸張的長度為凸臺(tái)的間距，間距比較小，可近似認(rèn)為該過程彈簧力不變。

彈簧力為：Ft1=K·（x+0.05） Ft2=K·x

由能量原理：K·（x+0.05）·δ+3·Kx·δ=P·Δh

由此可知Δh隨x變化不大，x確定時(shí)，δ越大，Δh越大。

臺(tái)階的間距太小會(huì)使制造過程困難，且凸臺(tái)強(qiáng)度不夠，間距過大會(huì)使反跳加大，應(yīng)取一個(gè)合理的間隔，本文取δ=5mm。

（3）支柱強(qiáng)度校核

由經(jīng)緯M-600的尺寸及上述得到的彈簧彈性系數(shù)、壓縮量，可以確定支柱的外形長度參數(shù)，彈簧原長0.45m，外筒長0.55m，內(nèi)桿長0.4m。支柱在降落過程中內(nèi)桿支柱受到擠壓，外筒壁受拉。

內(nèi)桿受壓和外筒受拉的力的大小相同，F(xiàn)=K·（x+0.05）=312N/m·0.35=109.2N

細(xì)長桿臨界力的歐拉公式：F=π2EI/L2慣性矩I=πD14/64得D1≥0.00436m，取D1=1cm

內(nèi)桿上有臺(tái)階，取套筒內(nèi)徑d2=2.2cm，取套筒外徑D2=3cmσ=F/（π/4（D22-d22））≤[σ] 取安全系數(shù)1.5，外筒滿足強(qiáng)度要求。

碳纖維的密度為1.8g/cm3，預(yù)計(jì)彈簧質(zhì)量加凸臺(tái)質(zhì)量與單一內(nèi)桿質(zhì)量相同。

整個(gè)旋翼無人機(jī)起落架的質(zhì)量為

m=4·（2·1/4πD12·40+1/4π（D22-d22）·55）·1.8=1746.2g=1.746.2kg

6 結(jié)束語

本文通過對(duì)典型無人機(jī)起落架地形自適應(yīng)裝置的研究，提出了起落架的設(shè)計(jì)更改方案，并進(jìn)行場(chǎng)景設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、合理性檢驗(yàn)，對(duì)彈簧彈性系數(shù)、撞擊力、側(cè)翻力矩、強(qiáng)度校核、起落架尺寸等方面進(jìn)行計(jì)算和檢驗(yàn)。最終得出此減震裝置在規(guī)定的接地速度等的范圍內(nèi)，是可以在實(shí)際中使用的，并通過三維建模等方式確定了該實(shí)驗(yàn)的可靠性。新型起落架有以下三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：（1）在崎嶇地面可完成穩(wěn)定降落；（2）對(duì)起落架結(jié)構(gòu)起到減震保護(hù)作用；（3）結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量較輕。

參考文獻(xiàn)：

[1]單輝祖.材料力學(xué)（第4版）[M].高等教育出版社.

[2][美]約翰·貝克托.無人機(jī)DIY[M].人民郵電出版社.

[3]崔勝民.輕松玩轉(zhuǎn)多旋翼無人機(jī)[M].化學(xué)工業(yè)出版社.