一種變體無(wú)人機(jī)構(gòu)型仿真研究

紀(jì)鑫東，蔣維安

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院飛行技術(shù)學(xué)院，廣漢618300）

0 引言

無(wú)人機(jī)是一種由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、機(jī)上無(wú)人駕駛、可重復(fù)使用的航空器的簡(jiǎn)稱，英文常用Unmanned Aerial Vehicle表示，縮寫(xiě)為UAV[1]。多旋翼無(wú)人機(jī)作為航空產(chǎn)品領(lǐng)域的一枝新秀，以新穎的結(jié)構(gòu)布局、獨(dú)特的飛行方式和廣泛的用途引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注和重視，風(fēng)行全球，迅速成為新的創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)新研究熱點(diǎn)[2]。

四旋翼無(wú)人機(jī)以其獨(dú)特的性能，迅速成為旋翼無(wú)人機(jī)的翹楚，在眾多領(lǐng)域中都有著較好地應(yīng)用。

復(fù)雜環(huán)境（例如火災(zāi)場(chǎng)地或森林搜尋）對(duì)無(wú)人機(jī)的需求較大且較快增長(zhǎng)。隨著我國(guó)城市建設(shè)的高速發(fā)展，建筑火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，造成了人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[3-4]。在火災(zāi)的高溫作用下，建筑材料的性能迅速劣化，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力下降，極易造成倒塌[5]，導(dǎo)致救援通道被阻塞，使人員被困。在滅火救援過(guò)程中，消防員需要承受各種極端條件[6]消耗大量時(shí)間搬移障礙物，才能找到被困人員。長(zhǎng)時(shí)間的高溫烘烤和建筑材料的二次塌陷還可對(duì)救援人員的生命安全造成嚴(yán)重威脅[7-8]?？焖偬矫餍掖嬲叩臏?zhǔn)確位置，對(duì)縮短救援時(shí)間和減少人員傷亡意義重大。

對(duì)在森林中失蹤的人員進(jìn)行搜尋救援的過(guò)程中，大部分情況是在崇山峻嶺中進(jìn)行的，常用的方法是通過(guò)載人直升機(jī)在森林上空進(jìn)行搜尋。當(dāng)遇到樹(shù)木繁多、枝葉茂盛的情況，直升機(jī)上的搜尋人員向下觀望的視野容易被枝葉遮擋，并且山中時(shí)常伴有局部大霧，也會(huì)遮擋上空搜尋救援的視線。

隨著科技的日益進(jìn)步，飛行器在救援行動(dòng)中逐漸嶄露頭角[9]。無(wú)人機(jī)作為災(zāi)難搜尋救援機(jī)器人中的一員，有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)[10]。尤其是四旋翼無(wú)人機(jī)可以通過(guò)建筑物內(nèi)部的通道，穿插于各個(gè)樓層進(jìn)行巡視，節(jié)省了搜尋時(shí)間，提高了搜救效率。與地面無(wú)人搜尋器和消防員搜尋相比，還能不接觸任何建筑材料從而避免余溫造成損傷。對(duì)于森林失蹤人員的搜尋，四旋翼無(wú)人機(jī)可以在森林內(nèi)部進(jìn)行快速穿插搜尋，既可以克服空中直升機(jī)搜尋時(shí)遇到的障礙物遮擋視線的困難，又可以大大提高搜尋效率。

現(xiàn)有的四旋翼無(wú)人機(jī)構(gòu)型的布局為四個(gè)螺旋槳彼此之間間距較大，這樣既能保證飛行器飛行過(guò)程中的穩(wěn)定性，又能使各螺旋槳之間旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流相互影響最小，減少升力損失。

由于失火建筑物內(nèi)部及森林內(nèi)部空隙大小不規(guī)則，所以在上述兩種環(huán)境進(jìn)行搜尋時(shí)，這種固定布局的四旋翼無(wú)人機(jī)在穿越狹小空間時(shí)姿態(tài)不靈活，甚至有可能出現(xiàn)旋翼碰撞周圍障礙物，造成旋翼破損、飛行器失控的情況。受限于無(wú)人機(jī)的尺寸與重量之間的矛盾的制約，較大尺寸無(wú)人機(jī)難以進(jìn)入狹小空間執(zhí)行搜尋任務(wù)，影響了可達(dá)性；較小尺寸無(wú)人機(jī)的有效載荷小，難以滿足復(fù)雜空間中搜尋任務(wù)的需要。

本文提出一種變體結(jié)構(gòu)無(wú)人機(jī)，旨在減小無(wú)人機(jī)搜尋的可達(dá)性與有效載荷間的矛盾，擴(kuò)大無(wú)人機(jī)在特定搜尋環(huán)境下的應(yīng)用范圍。

1 用于復(fù)雜環(huán)境搜尋的變體無(wú)人機(jī)構(gòu)型設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)型設(shè)計(jì)

圖1為所設(shè)計(jì)的變體無(wú)人機(jī)構(gòu)型示意圖，變體構(gòu)型上的不同部件分別用數(shù)字1至數(shù)字7標(biāo)注，標(biāo)注1為支撐臂驅(qū)動(dòng)件；標(biāo)注2為機(jī)身中央部分；標(biāo)注3為機(jī)身外圍框架部分，該部分與機(jī)身中央部分之間為鏤空狀態(tài)，保證無(wú)人機(jī)在變體過(guò)程中的氣動(dòng)特性，同時(shí)采用大框架構(gòu)型，在飛行器變體過(guò)程中能夠承受變體層的力矩；標(biāo)注4為雙葉螺旋槳；標(biāo)注5為驅(qū)動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)軸；標(biāo)注6為支撐臂；標(biāo)注7為電機(jī)。

基于圖1里的“變體無(wú)人機(jī)構(gòu)型俯視圖②”中所標(biāo)注的位置點(diǎn)字母，AB為支撐臂的旋轉(zhuǎn)半徑，四條支撐臂長(zhǎng)度相同，BC、CD、DE和BE均為相鄰兩個(gè)驅(qū)動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間的距離，AF為螺旋槳半徑，四個(gè)螺旋槳尺寸相同。

圖1 變體無(wú)人機(jī)構(gòu)型示意

上述新型四旋翼無(wú)人機(jī)構(gòu)型的工作原理為四個(gè)螺旋槳在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下給無(wú)人機(jī)提供升力，當(dāng)無(wú)人機(jī)需要通過(guò)寬度較窄的空間時(shí)，四條支撐臂在驅(qū)動(dòng)件的帶動(dòng)下繞著轉(zhuǎn)動(dòng)軸按既定方向均速旋轉(zhuǎn)，以此來(lái)改變無(wú)人機(jī)的構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)變體。

基于變體無(wú)人機(jī)構(gòu)型的運(yùn)動(dòng)原理，既要實(shí)現(xiàn)變體，又要實(shí)現(xiàn)變體后機(jī)身橫向尺寸的減小，各設(shè)計(jì)參數(shù)需同時(shí)滿足下列三個(gè)關(guān)系：

1.2 構(gòu)型建模

根據(jù)1.1小節(jié)中所列出的構(gòu)型需同時(shí)滿足(1)(2)(3)三個(gè)關(guān)系式，選取一組滿足條件的具體數(shù)值，利用UG軟件進(jìn)行建模，便于進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和干涉性檢查。

現(xiàn)有四旋翼無(wú)人機(jī)電機(jī)與槳片的選擇對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示[2]。

表1 電機(jī)與槳片的選擇對(duì)應(yīng)關(guān)系

為了保證飛行器既具備一定的載運(yùn)拉力又達(dá)到初始尺寸的盡量減小，還能驗(yàn)證方案的有效性，使用5英寸槳搭配2800kV值電機(jī)。

經(jīng)實(shí)物測(cè)量，5寸槳半徑為63.5mm，即AF=63.5mm；實(shí)物電機(jī)底座直徑為20mm，為確保電機(jī)底座安裝牢靠，支撐臂寬度設(shè)計(jì)數(shù)值為20mm，驅(qū)動(dòng)件短邊寬度為20mm，為確保外側(cè)機(jī)身框架與驅(qū)動(dòng)件安裝牢靠，同時(shí)保證機(jī)身外側(cè)框架對(duì)螺旋槳的氣動(dòng)性影響最小，外側(cè)機(jī)身框架寬度選擇最小設(shè)計(jì)值20mm，為保證飛行器機(jī)身既能盡量減小又能滿足飛行要求，支撐臂半徑AB設(shè)計(jì)為70mm，為滿足關(guān)系式（3），設(shè)計(jì)BC=CD=DE=BE=300mm。通過(guò)UG（Unigraphics）建立的三維模型如圖2所示。

圖2 變體無(wú)人機(jī)建模示意

2 變體無(wú)人機(jī)構(gòu)型仿真分析及優(yōu)化

2.1 構(gòu)型仿真分析

該設(shè)計(jì)的最終目的在于無(wú)人機(jī)通過(guò)變體改變自身結(jié)構(gòu)，達(dá)到在必要時(shí)可靈活縮小機(jī)身橫向尺寸。通過(guò)仿真可以確定該無(wú)人機(jī)構(gòu)型在各種變體參數(shù)下的尺寸以及是否發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象。

將所構(gòu)建的變體無(wú)人機(jī)三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境中，在運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境中，命令連桿、固定桿和運(yùn)動(dòng)副，給運(yùn)動(dòng)副添加驅(qū)動(dòng)，為了更好了解分析該變體無(wú)人機(jī)的變體過(guò)程，標(biāo)記并追蹤四個(gè)運(yùn)動(dòng)的支撐臂，建立解算方案，并進(jìn)行求解，求解結(jié)束后進(jìn)入運(yùn)動(dòng)仿真準(zhǔn)備階段，如圖3所示為運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境中模型的俯視圖，將此時(shí)無(wú)人機(jī)的四個(gè)支撐臂的相對(duì)位置稱為“初始位置”。

圖3 仿真環(huán)境中模型初始狀態(tài)俯視

在無(wú)人機(jī)變體的過(guò)程中，為了彼此抵消力矩，a、c支撐臂繞轉(zhuǎn)軸按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，b、d支撐臂繞轉(zhuǎn)軸按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，且每條支撐臂轉(zhuǎn)速相同。

運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)束后，得到如圖4所示為四條支撐臂分別繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)360°后的無(wú)人機(jī)構(gòu)型的俯視圖。

圖4 標(biāo)記支撐臂旋轉(zhuǎn)360度后無(wú)人機(jī)構(gòu)型俯視

觀察圖4可以得出，當(dāng)四個(gè)支撐臂分別繞著固定轉(zhuǎn)軸完成360°旋轉(zhuǎn)后，彼此之間無(wú)論在何種相對(duì)位置，都沒(méi)有碰撞現(xiàn)象發(fā)生。由此可以得到，該設(shè)計(jì)構(gòu)型能夠?qū)崿F(xiàn)四個(gè)支撐臂的平面360°旋轉(zhuǎn)，并且在此過(guò)程中，四個(gè)支撐臂和螺旋槳之間不會(huì)發(fā)生碰撞，能夠順利實(shí)現(xiàn)有效變體。

橫向尺寸運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證。

通過(guò)觀察如圖4，選定六個(gè)支撐臂旋轉(zhuǎn)到特殊位置（0°、45°、135°、180°、225°和315°）時(shí)的狀態(tài)，完成螺旋槳的運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證機(jī)身橫向尺寸能否因變體而顯著減小。得到如圖5所示的支撐臂不同位置螺旋槳運(yùn)動(dòng)仿真示意圖，利用UG軟件自帶的測(cè)量工具，得到不同狀態(tài)下的無(wú)人機(jī)構(gòu)型的XC和YC方向上的最大尺寸數(shù)據(jù)。

將圖5中不同狀態(tài)下的無(wú)人機(jī)構(gòu)型的XC和YC方向上的最大尺寸數(shù)據(jù)列于表2，令初始狀態(tài)XC和YC數(shù)值為單位1，不同狀態(tài)與其進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

表2 不同狀態(tài)下無(wú)人機(jī)構(gòu)型XC及YC長(zhǎng)度對(duì)比

圖5 支撐臂在不同位置的構(gòu)型尺寸測(cè)量

根據(jù)表格2中的數(shù)據(jù)可以得到，該無(wú)人機(jī)構(gòu)型在變體的過(guò)程中，在支撐臂旋轉(zhuǎn)了135°時(shí)，XC方向尺寸縮減率最大，達(dá)到了39.0%的縮減，在支撐臂旋轉(zhuǎn)了225°時(shí)，YC方向尺寸縮減率最大，達(dá)到了39.0%的縮減，通過(guò)計(jì)算得到在支撐臂旋轉(zhuǎn)了180°時(shí)，無(wú)人機(jī)構(gòu)型面積縮減率最大，達(dá)到了58.53%的縮減。由此得出，該無(wú)人機(jī)構(gòu)型通過(guò)變體可有效減少機(jī)身橫向尺寸。

2.2 構(gòu)型優(yōu)化

通過(guò)圖5中螺旋槳旋轉(zhuǎn)仿真圖發(fā)現(xiàn)原始構(gòu)型存在以下不足：

（1）在支撐臂旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，機(jī)身中央?yún)^(qū)域有一部分阻礙了螺旋槳的下洗氣流，從而容易造成螺旋槳升力損失；

（2）當(dāng)構(gòu)型通過(guò)變體面積減小率達(dá)到最大時(shí)，此時(shí)的螺旋槳并沒(méi)有完全被保護(hù)，還有比部分超出了機(jī)身的外沿，容易在飛行的過(guò)程中剮蹭到周圍障礙物，造成螺旋槳損傷。

針對(duì)無(wú)人機(jī)構(gòu)型存在的不足，對(duì)其做了以下五點(diǎn)優(yōu)化：

（1）重新調(diào)整構(gòu)型的機(jī)身布局，將機(jī)身中部正方體部分優(yōu)化為圓柱體；

（2）適當(dāng)增加每條支撐臂長(zhǎng)度；

（3）中部機(jī)身與外部機(jī)身由原來(lái)的四條連接支架優(yōu)化為兩條連接支架；

（4）保留的兩條內(nèi)外機(jī)身的連接支架由原來(lái)的長(zhǎng)方體優(yōu)化為圓柱體；

（5）外側(cè)機(jī)身的寬度減小為原來(lái)的一半，由原來(lái)的20mm改為10mm。

優(yōu)化后的無(wú)人機(jī)構(gòu)型示意圖如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后構(gòu)型建模示意

構(gòu)型優(yōu)化完成后，依然選取特征最明顯的六個(gè)狀態(tài)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得到如圖7所示的優(yōu)化后的構(gòu)型支撐臂不同位置螺旋槳運(yùn)動(dòng)仿真示意圖，利用UG軟件自帶的測(cè)量工具，得到新構(gòu)型在不同狀態(tài)下的XC和YC方向上的最大尺寸數(shù)據(jù)。

圖7 優(yōu)化構(gòu)型支撐臂在不同位置的構(gòu)型尺寸測(cè)量

將圖7中優(yōu)化后的構(gòu)型在不同狀態(tài)下的XC和YC方向上的最大尺寸數(shù)據(jù)列于表3，依舊令初始狀態(tài)XC和YC數(shù)值為單位1，不同狀態(tài)與其進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

表3 優(yōu)化后構(gòu)型不同狀態(tài)下XC及YC長(zhǎng)度對(duì)比

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)可以得到，優(yōu)化后的無(wú)人機(jī)構(gòu)型在變體的過(guò)程中，在支撐臂旋轉(zhuǎn)了135°時(shí)，XC方向尺寸縮減率最大，達(dá)到了41.5%的縮減，在支撐臂旋轉(zhuǎn)了225°時(shí)，YC方向尺寸縮減率最大，達(dá)到了41.5%的縮減，通過(guò)計(jì)算得到在支撐臂旋轉(zhuǎn)了180°時(shí)，無(wú)人機(jī)構(gòu)型面積縮減率最大，達(dá)到了64.30%的縮減。

2.3 優(yōu)化前與優(yōu)化后對(duì)比

將優(yōu)化前與優(yōu)化后的幾個(gè)典型狀態(tài)下的構(gòu)型對(duì)螺旋槳的氣動(dòng)遮擋面積進(jìn)行對(duì)比，得到如表4所示內(nèi)容。

表4 優(yōu)化前與優(yōu)化后氣動(dòng)遮擋面積對(duì)比

分析比較表2、表3和表4可以得出，優(yōu)化后的構(gòu)型比優(yōu)化前的構(gòu)型有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）無(wú)人機(jī)構(gòu)型在初始狀態(tài)時(shí)，最大構(gòu)型長(zhǎng)度優(yōu)化后比優(yōu)化前要長(zhǎng)，增加了無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性；

（2）優(yōu)化后的構(gòu)型由于少了兩條支架，減少了整機(jī)重量；

（3）當(dāng)支撐臂旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，螺旋槳已經(jīng)被完全納入到機(jī)身范圍內(nèi)進(jìn)行保護(hù)，避免在飛行過(guò)程中受到損傷；

（4）螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的下洗氣流沖擊到機(jī)身上方的面積比優(yōu)化前的構(gòu)型最大減少27.4%，有效降低升力損失，增加了無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性；

（5）優(yōu)化后的構(gòu)型最大橫向尺寸縮減率和最大面積縮減率均比優(yōu)化前的縮減率要大。

3 結(jié)果

（1）根據(jù)失火建筑物內(nèi)部搜救需求和森林失蹤人員搜救需求，設(shè)計(jì)了一種變體無(wú)人機(jī)構(gòu)型，并構(gòu)建了其三維模型。

（2）仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)構(gòu)型在變體過(guò)程中無(wú)部件上的碰撞，可以完成變體。

（3）優(yōu)化前的變體無(wú)人機(jī)構(gòu)型變體后橫向尺寸最大減少率為39.0%，面積最大減少率為58.53%。

（4）通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真發(fā)現(xiàn)構(gòu)型存在可導(dǎo)致額外升力損失的遮擋。通過(guò)對(duì)構(gòu)型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，大大降低了遮擋面積，降低了可能的升力損失。

（5）優(yōu)化后的變體無(wú)人機(jī)構(gòu)型變體后橫向尺寸最大減少率為41.5%，面積最大減少率64.3%，

（6）優(yōu)化后的構(gòu)型最大氣動(dòng)遮擋面積比優(yōu)化前減少24.7%。

（7）研究重點(diǎn)在新構(gòu)型的機(jī)械運(yùn)動(dòng)及功能的實(shí)現(xiàn)及分析，而在變體無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)特性方面，僅進(jìn)行了初步探討，在未來(lái)需要進(jìn)行深入研究。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）利用建模仿真，可有效發(fā)現(xiàn)初始構(gòu)型的重要缺陷。

（2）通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，可大大降低缺陷的影響。

（3）仿真表明，優(yōu)化后的變體構(gòu)型性能良好，設(shè)計(jì)合理、有效，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目的。

（4）通過(guò)飛行器變體來(lái)提高其在建筑物內(nèi)部和森林中的搜救效率既是可能的，也是合理的。