旋翼無(wú)人機(jī)方艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(天津中翔騰航科技股份有限公司，天津300301)

0 引言

隨著旋翼無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其在工業(yè)及生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，比如在航拍，電力巡線，地圖測(cè)繪，災(zāi)害監(jiān)測(cè)等諸多民用領(lǐng)域取得很好的實(shí)際使用效果，并得到了用戶的普遍認(rèn)可。

目前旋翼無(wú)人機(jī)由于自身特點(diǎn)的局限同時(shí)存在一些不足之處，如負(fù)載不能過(guò)大，巡航時(shí)間短等。這給用戶帶來(lái)了不良的使用體驗(yàn)。

為克服這類(lèi)問(wèn)題，本文介紹一種專(zhuān)用于旋翼無(wú)人機(jī)的方艙，該方艙結(jié)構(gòu)適用于無(wú)人值守的工作方式，艙門(mén)可以自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，無(wú)人機(jī)可自主降落于方艙內(nèi)部的平臺(tái)上，內(nèi)部設(shè)置自動(dòng)充電裝置。當(dāng)旋翼無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)返回后可自動(dòng)充電為再次執(zhí)行任務(wù)做準(zhǔn)備。

此方艙配置于偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行電力巡線可以起到很好的效果。

1 功能分析

多旋翼無(wú)人機(jī)方艙采用無(wú)人值守式[1]的工作方式，其主要工作步驟均為自動(dòng)化。為實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主起降，將其功能分解為：艙門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟結(jié)構(gòu)，旋翼無(wú)人機(jī)自動(dòng)定位平臺(tái)機(jī)構(gòu)[2]以及平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)[3]。主體框架為鋼結(jié)構(gòu)，外圍設(shè)置太陽(yáng)能電池板架，安裝太陽(yáng)能電池板，利用太陽(yáng)能給無(wú)人機(jī)電池和其它動(dòng)作部件提供電能。因此方艙主要?jiǎng)恿υ礊殡娔?，其?dòng)力裝置主要采用電動(dòng)缸作為動(dòng)力裝置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用連桿傳動(dòng)方式，最終實(shí)現(xiàn)方艙的所有動(dòng)作。

在滿足功能要求的條件下，對(duì)外殼和框架的設(shè)計(jì)盡量?jī)?yōu)化。鑒于方艙使用地點(diǎn)均為偏遠(yuǎn)地區(qū)及交通不便的地方，盡量采用簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)，方便其組裝運(yùn)輸。

2 結(jié)構(gòu)方案的選擇

在對(duì)方艙功能和使用環(huán)境條件定位后，提出以下二種方案實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)功能。

方案1：如圖1，方艙門(mén)為向2側(cè)打開(kāi)，使用電動(dòng)缸做動(dòng)力元件，為解決懸空問(wèn)題在2側(cè)增加輔助支撐軌道。無(wú)人機(jī)的起降平臺(tái)的升降也通過(guò)置于平臺(tái)前方的電動(dòng)缸推動(dòng)。起降平臺(tái)上自動(dòng)點(diǎn)各無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)由4根先后動(dòng)作的推桿執(zhí)行，無(wú)人機(jī)降落后由于自身GPS定位誤差及風(fēng)力的影響會(huì)偏離中心，推桿設(shè)置在有效降落范圍處，無(wú)人機(jī)降落后傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使推桿推動(dòng)無(wú)人機(jī)定位在平臺(tái)中央。外形采用框架結(jié)構(gòu)，安裝金屬板材。

圖1 方案1 圖2 方案2

方案2：如圖2所示，方艙門(mén)向2側(cè)打開(kāi)嵌入艙體內(nèi)部通過(guò)電動(dòng)推桿和連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。無(wú)人機(jī)平臺(tái)升降改為剪叉式升降機(jī)構(gòu)，以減少方艙整體高度。無(wú)人機(jī)定位機(jī)構(gòu)采用推桿式，傳動(dòng)方式改為在平臺(tái)側(cè)邊安裝線性模組作為動(dòng)力源，推桿另一端輔助滾動(dòng)支撐，短推桿安裝在長(zhǎng)推桿上做跟隨動(dòng)作，在長(zhǎng)推桿定位后短推桿動(dòng)作，使無(wú)人機(jī)定位到平臺(tái)中心。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟

經(jīng)分析，方案2要優(yōu)于方案1，選擇方案2做進(jìn)一步研究。在初步構(gòu)思并實(shí)際調(diào)研考察一些相關(guān)數(shù)據(jù)后，利用單位模型軟件建立原始機(jī)構(gòu)模型，反復(fù)進(jìn)行模擬在SolidWorks中建立零件模型，進(jìn)一步細(xì)化后制作其實(shí)體模型。初步設(shè)定此方艙的大小(長(zhǎng)×寬×高)為2000 mm×2000 mm×1100 mm。主要模塊組件為無(wú)人機(jī)平臺(tái)，舉升機(jī)構(gòu)，以及艙門(mén)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)。

如圖3所示為方艙機(jī)械結(jié)構(gòu)整體圖，圖4所示為帶有太陽(yáng)能電池板附件結(jié)構(gòu)圖。

圖3 方艙機(jī)械結(jié)構(gòu) 圖4 帶有太陽(yáng)能電池板附件結(jié)構(gòu)圖

艙門(mén)向2側(cè)打開(kāi)分三級(jí)通過(guò)電動(dòng)推桿帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，電動(dòng)推桿鉸接在固定板上。支架固定在支座上面2側(cè)直接支撐部分艙門(mén)。通過(guò)電路程序控制電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)方艙門(mén)的自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉。舉升機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)缸為動(dòng)力源的剪叉舉升機(jī)構(gòu)，當(dāng)艙門(mén)打開(kāi)后舉升機(jī)構(gòu)舉升平臺(tái)到方艙口處，輔助無(wú)人機(jī)的起飛與降落[4]。

圖5 自動(dòng)充電結(jié)構(gòu)

自動(dòng)充電結(jié)構(gòu)如圖5，在無(wú)人機(jī)的長(zhǎng)推桿與無(wú)人機(jī)腳架接觸面設(shè)置導(dǎo)電銅塊結(jié)構(gòu)，通過(guò)程序控制線性模組使長(zhǎng)推桿和腳架接觸面產(chǎn)生接觸壓力，通過(guò)銅的面接觸接通充電線路，從而完成無(wú)人機(jī)的自主充電。

主箱體其它的空間放置其它相關(guān)附件及電氣元器件和儲(chǔ)能電池。

4 主要部件有限元分析

圖6 剪叉式升降結(jié)構(gòu)

剪叉式升降結(jié)構(gòu)，由于承受起降平臺(tái)和無(wú)人機(jī)及定位組件的重量，因此剪叉片成為方艙主要功能的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)形式如圖6。

電動(dòng)缸作為動(dòng)力源推動(dòng)剪叉片，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的升降。在此過(guò)程中剪叉片為主要承載負(fù)載的元件。

采用工程分析軟件ANSYS來(lái)模擬剪叉片的受載情況，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析，從而確定設(shè)計(jì)是否合理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷。

剪叉片的材料確定為Q235，其屈服強(qiáng)度為235 MPa，泊松比μ=0.33，彈性模量E=210 GPa。對(duì)其用工程分析軟件建模并定義材料屬性。采用Solid185單元對(duì)剪叉片進(jìn)行網(wǎng)格劃分。按照其運(yùn)動(dòng)形式左端固定鉸接點(diǎn)為約束處，右端支撐負(fù)載，換算后負(fù)載對(duì)右端鉸接點(diǎn)的壓力為F=250 N，施加約束和載荷。經(jīng)過(guò)求解得到應(yīng)力分布圖，如圖7。

圖7 應(yīng)力分布

根據(jù)結(jié)果分析可知，剪叉片最大受力為20482.5 Pa遠(yuǎn)小于Q235的屈服強(qiáng)度。變形量為0.00117mm，符合要求。

5 結(jié)論

1)該產(chǎn)品由我公司自主構(gòu)思設(shè)計(jì)研發(fā)的產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主起降和充電，擴(kuò)展了無(wú)人機(jī)使用范圍，并且實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。

2)設(shè)計(jì)出一整套運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和完整的電路模塊。包括曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)和剪叉機(jī)構(gòu)。

3)此方艙的設(shè)計(jì)能夠達(dá)到預(yù)期效果，運(yùn)行穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)可優(yōu)化以增大空間。