旋翼無人機安防結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

上海交通大學，上海市 閔行區(qū) 100000

隨著國內(nèi)外民用無人機的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，普及程度不斷深入，在城市上空飛行更加頻繁，與用戶及人員親密接觸的機會也越來越多，客觀上要求無人機設(shè)計制造必須做到安全、可靠。近年來，無人機產(chǎn)品防護結(jié)構(gòu)的設(shè)計已日益受到重視。

隨著國內(nèi)外民用無人機的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，普及程度不斷加大，在城市上空飛行更加頻繁，與用戶及人員親密接觸的機會也越來越多，客觀上要求無人機設(shè)計制造必須做到安全、可靠。除機載動力裝置、操縱控制系統(tǒng)、電池組必須達到安全級別外，其結(jié)構(gòu)設(shè)計也需要符合確保安全使用的要求給予保障。尤其是近些年來批產(chǎn)無人機產(chǎn)品防護結(jié)構(gòu)的設(shè)計已日益受到重視。

已列為設(shè)計要素

民用無人機由于飛行空域及其區(qū)域的特殊性更重視對結(jié)構(gòu)的防護設(shè)計。其中，包括防護無人機之間的碰撞，防護無人機與高層建筑物、高壓電塔架、高山的碰撞，防護無人機與人員的碰擦傷等。這既是對外界及人員的防護，也是對自身的防護，以避免發(fā)生意外事故，造成經(jīng)濟損失和人員傷亡。

現(xiàn)以旋翼無人機為例，旋翼如果處在無防護裝置下，高速運轉(zhuǎn)中的旋翼很容易傷及人員，也會由于操縱不慎而碰及外物，輕者碰擦傷，重者機毀人亡。因此，如何確保旋翼無人機在運行過程中的自身安全現(xiàn)已成為這類無人機設(shè)計的要素。

該項防護設(shè)計要素的基本要求是結(jié)構(gòu)簡單、實用、低阻、融合、低成本、輕量化。

構(gòu)成自身防護罩

旋翼無人機由于能夠垂直起降，擺脫了對機場跑道的束縛，實用性好，使用方便，現(xiàn)在已在國內(nèi)外得到廣泛使用。

旋翼無人機的防護從簡易半環(huán)式起步，進步到涵道式，再發(fā)展到防護罩式；并有分置式和合體式結(jié)構(gòu)之區(qū)別。

半環(huán)式

旋翼無人機的旋翼就坐落在半環(huán)中間，設(shè)在四周的半環(huán)能起到抵擋外來物，防止傷人的作用。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、易添加、易改裝、重量輕，不影響使用性能。

涵道式

旋翼無人機的旋翼就位于涵道中央，其結(jié)構(gòu)特點是無人機整體性好、強度高、氣動阻力小，外形美觀且尺寸緊湊。

防護罩式

旋翼無人機的旋翼外部設(shè)有防護罩，可抵擋外來物侵害，防止飛行中傷及人員和飛鳥。在結(jié)構(gòu)上有分置式防護罩和合體式防護罩之分。

分置防護罩

圖1 無人機自身設(shè)置的各種防護罩

圖2 四旋翼無人機的整體防護罩

圖3 由四旋翼無人機機身延伸的整體防護罩

旋翼無人機的防護罩“一對一”，即每個防護罩只照管一副旋翼，其結(jié)構(gòu)特點是單體工藝性佳，方便使用維護(見圖1)。如果這種防護罩對小型旋翼無人機比較適合，那么對多旋翼無人機而言，其分置式結(jié)構(gòu)的分離面增加整體性變差，且結(jié)構(gòu)重量也會有所增加，維護也會麻煩些。

整體防護罩

旋翼無人機的防護罩“一對多”，即一個防護罩能防護多副旋翼，其結(jié)構(gòu)特點是無人機的整體性佳，強度高(見圖2)。能通過優(yōu)化設(shè)計減輕結(jié)構(gòu)重量，有利減阻并改善氣動性能。

圖3為旋翼無人機機身延伸的防護罩設(shè)計，其結(jié)構(gòu)特點是作為無人機機身延伸的一部分即參與整機承載，又兼顧了防護功能，達到“一物兩用”。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計還控制了結(jié)構(gòu)重量，保持了高強度，綜合了無人機的整體性、安全性、減阻性、輕量化的特質(zhì)。不僅無人機的零件數(shù)減少，工藝性好，而且維護性亦好，符合用戶對實用性的要求。

圖4為無人機的整體防護罩，其外形酷似電扇的外罩，能將整架四旋翼無人機全部包絡(luò)，并且防護罩還是上下兩面的，安全性亦更高，拆裝也很方便。

設(shè)置賽事起降網(wǎng)

對于民用無人機的使用，尤其是商業(yè)無人機的應(yīng)用，在城市上空飛行甚至用戶把無人機間不發(fā)生碰撞事故、不碰及建筑物，不傷及人員放在首位，包括在無人機賽事、無人機晚間空中表演上均要求在技術(shù)上給予保證。

圖4 四旋翼無人機的整體防護罩

圖5 設(shè)置外場的旋翼無人機防護網(wǎng)

通常無人機室內(nèi)外賽事地面鋪有矩陣字幕，周圍設(shè)有指定高度的防護網(wǎng)，防護網(wǎng)用尼龍絲編織而成，不僅強度高，而且韌性好，耐撞擊，使用壽命長。所有參賽無人機只能在防護網(wǎng)提供的空間內(nèi)按科目或任務(wù)要求飛行(圖5)。其矩陣字幕是由不同樣的數(shù)碼組成，可供無人機識別，并在某行某列自行對號入席，有序垂直起/降。圖6為無人機群在設(shè)置的外場防護網(wǎng)內(nèi)自由飛行時的狀況。其中6架金黃色的無人機執(zhí)行各自任務(wù)，在半空中以不同的高度、速度、軌跡、姿態(tài)有序飛行也不會發(fā)生碰撞。

倘若認為上述僅用于觀賞無人機賽事未免有些狹隘。其實它還可以用于一些無人機的技術(shù)驗證。例如，對空中快遞的尋址，精準投遞；對無人機垂直起飛狀態(tài)及性能的考量；對無人機垂直降落精度的測定；對無人機空中懸停穩(wěn)定性的觀察等。設(shè)置護網(wǎng)的好處是防止場內(nèi)無人機飛脫操控區(qū)域，需要另外組織人力到處尋找，或避免因無人機失蹤所造成的損失；同時也方便用戶回收。同時也防止了外界干擾或因外來物侵入而影響賽事或飛行測試。

圖6 旋翼無人機群在防護網(wǎng)內(nèi)自由飛行

圖7 四旋翼無人機的球形網(wǎng)防護罩

創(chuàng)新機精彩不斷

近年來，批產(chǎn)無人機產(chǎn)品防護結(jié)構(gòu)的設(shè)計日益受到重視，出現(xiàn)了一些技術(shù)創(chuàng)新，不僅有硬式結(jié)構(gòu)，也有軟式結(jié)構(gòu)，還有軟硬式組合結(jié)構(gòu)，反映出其自身不僅將它已列為設(shè)計要素，另外更多地考慮適應(yīng)外場環(huán)境，更好地滿足用戶需要，切實把飛行安全落實到實處。而且這些技術(shù)創(chuàng)新不僅適用于邊遠和農(nóng)林地區(qū)飛行作業(yè)，而且同樣適合城市上空飛行，并且通過航空與藝術(shù)的融合，航空與科普的融合，航空與歷史文化的融合，航空與商貿(mào)的結(jié)合 ，航空與區(qū)塊鏈的結(jié)合，把旋翼無人機的垂直起降、空中懸停、過渡巡航等實務(wù)演繹得出神入化。

圖7為四旋翼無人機的球形網(wǎng)防護罩，它由多面體組成，每個面分別由五邊形和六邊形桿構(gòu)成(內(nèi)含LED發(fā)光管)，保護著位于中央的無人機全向不受損。該球形防護網(wǎng)罩不僅表面積大，而且強度高、彈性強，可隨該無人機一起升空，進行各種移動、盤旋、翻滾特技，降落地面后還能夠滾轉(zhuǎn)行駛，用于單機表演，或多機編隊的節(jié)慶夜晚表演，更是精彩不斷。