四旋翼植保無人機墜落與地面碰撞的模擬實驗*

張 偉， 王 玲， 張 浩， 馬劉正， 袁志華

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

0 引 言

無人機(“UAV”)是無人飛行器的統(tǒng)稱，是由遙控或者計算機自主操作的不載人飛行器。四旋翼無人機的設(shè)計開發(fā)以往都是憑經(jīng)驗和估算，使得機體結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，導(dǎo)致農(nóng)藥噴灑效率不高。對無人機進行模擬仿真，即模擬其結(jié)構(gòu)從而實現(xiàn)建立模型，實驗求解和分析最終結(jié)果的目的。通過建立模擬實驗系統(tǒng)并利用所設(shè)計的模型對實際試驗系統(tǒng)進行試驗研究的過程，以理論實驗結(jié)果反推實際實驗，能夠較為簡便、高效地達到研究的目標。

筆者應(yīng)用ANSYS Workbench仿真軟件模擬植保無人機的基本情況并進行力學(xué)分析，進而分析無人機飛行過程中因故障墜地碰撞試驗對機體的影響。通過使用有限元軟件ANSYS Workbench分析實現(xiàn)建模與計算的自動化、智能化和便利性，基于SolidWorks建模并導(dǎo)入Workbench進行有限元分析，通過對有限元模型的分析與對比，得出結(jié)論，為四旋翼無人機的生產(chǎn)和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 四旋翼無人機的結(jié)構(gòu)和工作原理

四旋翼無人機有兩種組裝模式，飛行正方向位于兩翼臂之間的是X型模式(如圖1所示)，還有十字模式的安裝方式(如圖2所示),一般來說，X模式的使用更加廣泛。X字模式的安裝方法是將四個電機按照圖中所示對角的方式安裝到機架上，并且要保證在同一對角線上的電機旋翼轉(zhuǎn)動方向一致，而相鄰的電機旋翼轉(zhuǎn)動方向相反。例如，如果將1號電機和3號電機看成是逆時針轉(zhuǎn)動，那么2號電機和4號電機必須順時針轉(zhuǎn)動，目的是克服反扭矩，確保無人機穩(wěn)定飛行。

圖1 X型四旋翼模型圖 圖2 十字型四旋翼模型

四旋翼無人機擁有對稱分布的X型機翼(見圖3所示)，控制器控制飛行狀態(tài)，遙控器控制飛行模式，電子調(diào)速器、馬達和螺旋槳提供飛行動力，電池提供電能。中間的匣子里安裝著GPS、感應(yīng)器、加速度計、陀螺儀和紅外線裝置等。機翼不停的運動提供向上升力，轉(zhuǎn)速的大小改變會直接影響升力的大小，從而影響改變四旋翼飛行器的位置和狀態(tài)。四旋翼無人機可以實現(xiàn)起飛爬升、空中懸停、和下落降低，從而形成旋翼運動產(chǎn)生的向上升力與重力的關(guān)系[1-3]。

圖3 四旋翼無人機的結(jié)構(gòu) 圖4 顯式動力學(xué)分析系統(tǒng)

2 不同高度下無人機碰撞地面的模擬與分析

2.1 無人機墜落分析原因

已知所選用試驗的植保無人機的日常工作時的飛行高度是2 m左右。四旋翼無人機飛行時會因各種故障而墜落，本次實驗通過分析在不同高度下，無人機自由落體墜地時的撞擊的應(yīng)力大小比對，從而確定飛行器的安全飛行高度。已知無人機的適用飛行高度是2 m，因此設(shè)置1 m、2 m、3 m、4 m四種不同的高度，模擬飛行器從這四種不同高度墜機情況。

2.2 1 m處落地時四旋翼無人機的顯示動力學(xué)分析

(1) 創(chuàng)建顯式動力學(xué)分析系統(tǒng)

如圖4所示，創(chuàng)建四旋翼無人機的顯示動力學(xué)分析系統(tǒng)。

(2) 設(shè)置材料參數(shù)

雙擊Engineering Data選項，進入材料參數(shù)設(shè)置界面，在該模塊下可自行輸入密度、楊氏模量、泊松比等數(shù)值(注：Structural Steel是默認材料)。一般采用默認材料參數(shù)即可，若需要材料選擇，可自主選擇。

雙擊結(jié)構(gòu)樹選項中的Geometry，出現(xiàn)無人機三維模型的零部件，點擊零部件，出現(xiàn)下拉菜單，在菜單中選擇材料名稱，添加材料后，即可進行下面操作。

(3) 網(wǎng)格劃分

點擊結(jié)構(gòu)樹中的Mesh選項，選擇Insert，彈出控制網(wǎng)格的分選項，設(shè)置網(wǎng)格形式(Method)和單元的大小(Sizing)。

(4) 設(shè)置約束條件

選擇載荷類型，由能量守恒方程公式(1)給出：

(1)

式中：h為四旋翼無人機距地高度；g為重力加速度?？梢缘贸雎涞貢r飛行器的速度。

選擇Mechanical結(jié)構(gòu)樹中的Explicit Dynamics，鼠標右鍵單擊選取Insert，此時出現(xiàn)Environment工具欄，彈出各種載荷與約束。選擇“Velocity”，再選擇確定的方向，給無人機施加一個垂直指向地面的數(shù)值為4.4 m/s的初速度(如圖5所示)，設(shè)置分析時間為0.1 s[4-5]。如圖6所示。

圖5 施加速度圖 圖6 分析時間圖

選擇“Fixed Support”,將約束施加在混凝土板上。如圖7所示。

圖7 施加固定約束的模型圖

(5) 求解并分析結(jié)果

求解在結(jié)構(gòu)樹中的Solution下進行。

在Solution中添加輸出結(jié)果，一般選擇Total Deformation(總變形)、Equivalent Elastic Strain(等效彈性應(yīng)變)、Equivalent Stress(等效應(yīng)力)。

點擊工具欄中的Solve選項或在結(jié)構(gòu)樹中選擇Solution點擊Solve選項即可進行求解。

在顯式動力學(xué)分析中，可得無人機的等效應(yīng)力圖(如圖6所示)。此時無人機最大應(yīng)力在機架支撐部分，約為31.418 MPa。

同理，無人機在2 m、3 m、4 m處落地撞擊地面時，求解過程相同，將速度大小分別改成6.3 m/s、7.7 m/s、8.9 m/s即可。此時無人機最大應(yīng)力在機架支撐部分，應(yīng)力大小分別約為50.273 MPa、75.42 MPa、94.284 MPa。如圖8～10所示。

圖8 1 m落地的等效應(yīng)力圖(速度：4.4m/s) 圖9 2 m落地的等效應(yīng)力圖(速度：6.3 m/s)

圖10 3 m落地的等效應(yīng)力圖(速度：7.7m/s) 圖11 4 m落地的等效應(yīng)力圖(放大100倍，速度：8.9 m/s)

3 結(jié)果分析與討論

經(jīng)過圖解顯示，可以得出四旋翼無人機墜地的最大應(yīng)力處，如圖12所示。

圖12 最大應(yīng)力處

觀察以上各圖，可以得到四旋翼飛行器撞擊地面的動力學(xué)仿真分析結(jié)果。為了更有效直觀的觀察及對比，將上述圖示結(jié)果經(jīng)過整理分析后結(jié)論總結(jié)于表1中。

表1 動力學(xué)仿真分析結(jié)果

已知最大應(yīng)力處為支架連接桿，且應(yīng)力已得，查資料得Al-1100的屈服極限是125 MPa。

許用應(yīng)力的計算公式(2)給出：

(2)

取n=1.5,可得Al的許用應(yīng)力[σ]為82.67MPa。

與表1的數(shù)據(jù)相比較，可得1～3 m的范圍均可，且3 m時應(yīng)力75.42 MPa略小于[σ]；在4 m時，墜地的等效應(yīng)力為94.285 MPa,高于[σ]，且超出部分為14%>5%，超出所允許的范圍。則超過3 m時，無人機墜地可能會導(dǎo)致機架應(yīng)力最大部位變形損壞[6-7]。

通過以上分析，可知試驗所用的四旋翼無人機的安全飛行高度在3 m左右。超過3 m這個高度，四旋翼無人機飛行時，若是遇到故障墜落與地面相撞，可能對機體造成損害。而試驗所用的植保無人機的工作飛行高度為2 m，在安全飛行高度范圍內(nèi)，所以飛行器的日常操作運用是可行的。

4 結(jié) 語

通過對四旋翼無人機仿真模擬的學(xué)習(xí)和研究，對無人機的安全飛行高度進行檢驗，運用Solidworks軟件建立了飛行器的CAD模型，在使用ANSYS Workbench有限元分析軟件建立了無人機與地面撞擊的有限元模型，并對其進行了動力學(xué)分析。本次實驗也有不足的地方，比如為了減小建模的難度和計算量，簡化了不少特征，并且為了計算迅速，粗化有限元網(wǎng)格。