關(guān)于無(wú)人機(jī)降落傘自動(dòng)分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

吳青松 馮譯萱 韓廣場(chǎng) 周凱 周思成 潘勛怡

摘? 要：無(wú)人機(jī)是現(xiàn)代人們研究的一項(xiàng)重要熱點(diǎn)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)巡視、懸停、追究等多項(xiàng)功能，這也使無(wú)人機(jī)在調(diào)研與測(cè)繪等多個(gè)行業(yè)中都得到了廣泛應(yīng)用，而且從具體應(yīng)用情況來(lái)看，也取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。但是，無(wú)人機(jī)在應(yīng)用期間，可能會(huì)發(fā)生墜落問(wèn)題，如果無(wú)人機(jī)在飛行期間，在人工密集區(qū)域發(fā)生墜落事故，不僅會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，甚至而會(huì)造成人員傷亡，為了解決這一問(wèn)題，人們加強(qiáng)了對(duì)無(wú)人機(jī)的研究。下面，針對(duì)無(wú)人機(jī)降落傘自動(dòng)分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)進(jìn)行深入研究，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，當(dāng)無(wú)人機(jī)發(fā)生故障快速墜落時(shí)，可以通過(guò)降落傘減緩無(wú)人機(jī)墜落速度，減少由于無(wú)人機(jī)墜落而發(fā)生的意外以及損失。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)? 自動(dòng)分離系統(tǒng)? 降落傘? 無(wú)人機(jī)迫降

中圖分類(lèi)號(hào)：V27 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2021）03（a）-0077-03

Design and Development of Automatic Parachute Separation System for UAV

WU Qingsong? FENG Yixuan? HAN Guangchang? ZHOU Kai? ZHOU Sicheng? PAN Xunyi

（Heilongjiang Institute of Technology， Harbin， Heilongjiang Province， 150050 China）

Abstract： UAV is an important hot issue in modern people's research. Through the application of UAV， it can realize automatic inspection， hovering， investigation and other functions， which also makes UAV widely used in many industries， such as survey and mapping， and has achieved good application results from the specific application situation. However， during the application of UAV， the problem of falling may occur. If the UAV falls in the artificial intensive area during flight， it will not only cause huge economic losses， but also cause casualties. In order to solve this problem， people strengthen the research on UAV. Next， the design and development of UAV parachute automatic separation system is studied in depth. Through the application of the system， when the UAV falls down rapidly due to fault， parachute can be used to slow down the falling speed of UAV and reduce the accidents and losses caused by UAV falling.

Key Words： UAV; Automatic separation system; Parachute; UAV forced landing

隨著人們對(duì)無(wú)人機(jī)研究的不斷深入，其性能得到了顯著提升，目前無(wú)人機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了大氣探測(cè)、軍事偵察、電網(wǎng)巡檢、傾斜攝影等多個(gè)領(lǐng)域中。對(duì)于新研發(fā)的無(wú)人機(jī)在具體投入前，要進(jìn)行多試飛試驗(yàn)，確保無(wú)人機(jī)性能良好，可以正常應(yīng)用，才能投入應(yīng)用。無(wú)人機(jī)飛行測(cè)試期間，受無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障、控制系統(tǒng)故障等各項(xiàng)問(wèn)題影響，可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)在飛行期間發(fā)生失穩(wěn)，甚至出現(xiàn)墜機(jī)問(wèn)題。由此可見(jiàn)，要在無(wú)人機(jī)上搭載降落傘系統(tǒng)，當(dāng)無(wú)人機(jī)遇到特殊情況，必須迫降時(shí)，通過(guò)對(duì)降落傘系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，確保無(wú)人機(jī)安全降落，以免發(fā)生墜機(jī)事故。

1? 無(wú)人機(jī)降落傘開(kāi)傘原理

1.1 傳統(tǒng)開(kāi)傘

傳統(tǒng)開(kāi)傘就是對(duì)無(wú)人機(jī)飛行情況進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)出現(xiàn)故障降落時(shí)，釋放無(wú)人機(jī)的降落傘，但是，這種開(kāi)傘方式在具體應(yīng)用期間需要一定時(shí)間開(kāi)傘，而無(wú)人機(jī)通常都低空飛行，無(wú)人機(jī)從墜落到降低落到地面持續(xù)時(shí)間較短，采取該方式開(kāi)傘，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)無(wú)人機(jī)出現(xiàn)故障發(fā)生墜落時(shí)，無(wú)法及時(shí)打開(kāi)降落傘的情況[1]。因此，要想確保降落傘可以更好的保護(hù)無(wú)人機(jī)安全，要做好無(wú)人機(jī)降落傘分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)，發(fā)揮降落傘的作用。

1.2 彈簧開(kāi)傘

無(wú)人機(jī)中彈簧開(kāi)傘就是對(duì)固定在無(wú)人機(jī)中降落傘中彈簧進(jìn)行應(yīng)用，進(jìn)而將無(wú)人機(jī)中的降落傘彈出，如果檢測(cè)到飛行的無(wú)人機(jī)出現(xiàn)快速下墜問(wèn)題時(shí)，固定的彈簧則會(huì)快速?gòu)棾觯瑴p緩無(wú)人機(jī)下降速度。對(duì)于無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，彈簧傘方式應(yīng)用起來(lái)成本低、方式簡(jiǎn)單，但是這種方式在具體應(yīng)用過(guò)程中也會(huì)受倒一定限制，只能應(yīng)用在固定翼無(wú)人機(jī)上，而且，裝置在應(yīng)用時(shí)靈敏性相對(duì)較差，因此，具體應(yīng)用過(guò)程中，可能會(huì)發(fā)生無(wú)法彈出降落傘情況[2]。

1.3 爆破開(kāi)傘

爆破開(kāi)傘是利用炸藥將降落傘彈出的一項(xiàng)裝置，這種裝置是通過(guò)對(duì)炸藥爆炸而形成的高壓氣體進(jìn)行應(yīng)用，彈出降落傘。需要注意的是，爆破開(kāi)傘所需裝置結(jié)構(gòu)精密度高，而且裝置成本高，這種開(kāi)傘方式并不適合應(yīng)用到多數(shù)無(wú)人機(jī)行業(yè)中。以上幾種開(kāi)傘方式在具體應(yīng)用中都存在不同類(lèi)型的缺陷，因此，相關(guān)人員在吸收了以上幾種開(kāi)傘裝置優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行全面吸收的基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)人機(jī)的降落傘進(jìn)行分析[3]。

2? 無(wú)人機(jī)降落傘系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)面臨的難題

無(wú)人機(jī)降落傘回收對(duì)于回收?qǐng)龅氐木唧w要求相對(duì)較低，并且整體操作相對(duì)來(lái)說(shuō)十分簡(jiǎn)單，對(duì)于飛手的專(zhuān)業(yè)能力要求并不高，因此，降落傘回收是目前我國(guó)中小型無(wú)人機(jī)在野外飛行與作業(yè)期間十分常用的一種回收方式，通過(guò)對(duì)該方式進(jìn)行應(yīng)用，能夠完成對(duì)降落傘的合理回收[4]。但是如果外界風(fēng)較大，特別是在具有較大的強(qiáng)側(cè)風(fēng)時(shí)，受強(qiáng)風(fēng)影響，無(wú)人機(jī)落地瞬間，無(wú)人機(jī)的降落傘還處于充氣狀態(tài)，此時(shí)降落傘受到空氣的阻力較大，降落傘繩會(huì)處于拉直狀態(tài)，這會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)在落地時(shí)容易被拖拽，進(jìn)而使無(wú)人機(jī)會(huì)與地面發(fā)生嚴(yán)重的碰撞，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)發(fā)生連續(xù)翻轉(zhuǎn)，無(wú)人機(jī)在地面上受降落傘繩拉扯作用影響，各項(xiàng)零部件以及外殼都容易遭受破壞。特別是在風(fēng)較大的天氣下，無(wú)人機(jī)降落后降落傘拖拽影響，無(wú)人機(jī)在地上速度較快，一般人奔跑都無(wú)法追趕上無(wú)人機(jī)在地上被降落傘拖拽的速度，這也就加大了回收無(wú)人機(jī)的難度[5]。造成上述問(wèn)題的核心原因就是無(wú)人機(jī)在降落后，無(wú)人機(jī)與降落傘還是一個(gè)整體，并未實(shí)現(xiàn)分離，因此，為了使上述問(wèn)題得到解決，相關(guān)人員要應(yīng)當(dāng)在對(duì)降落傘與無(wú)人機(jī)連接處進(jìn)行全面分析基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種新型機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)用，進(jìn)而使無(wú)人機(jī)落地時(shí)，降落傘與無(wú)人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)分離，以由于降落傘作用對(duì)無(wú)人機(jī)造成拉扯，損壞無(wú)人機(jī)。此外，避免無(wú)人機(jī)信號(hào)傳輸遭受到影響，設(shè)計(jì)的分離裝置要采取純機(jī)械結(jié)構(gòu)，避免電磁干擾。

3? 無(wú)人機(jī)降落傘系統(tǒng)構(gòu)成與工作流程

3.1 降落傘回收與迫降系統(tǒng)的構(gòu)成

設(shè)計(jì)的降落傘回收系統(tǒng)住主要有4個(gè)部分構(gòu)成的，整個(gè)系統(tǒng)由上到下分別為降落傘、降落傘自動(dòng)分離裝置、無(wú)人機(jī)、著陸緩沖裝置。

該類(lèi)型的無(wú)人機(jī)降落傘回收系統(tǒng)與常規(guī)無(wú)人機(jī)降落傘回收系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，其主要區(qū)別是在整個(gè)系統(tǒng)中添加了降落傘自動(dòng)分離裝置，該裝置在具體應(yīng)用過(guò)程中的作用就是當(dāng)無(wú)人機(jī)著落的瞬間，降落傘能夠與無(wú)人機(jī)發(fā)生分離，這可以有效避免降落傘對(duì)無(wú)人機(jī)造成拖拽，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)遭受破壞[6]。

3.2 降落傘回收與迫降流程

無(wú)人機(jī)依據(jù)制定程序完成制定的飛行任務(wù)后，或者無(wú)人機(jī)在飛行期間受外界因素影響，發(fā)生意外進(jìn)入迫降程序時(shí)，此時(shí)，地面站或飛控會(huì)發(fā)生相應(yīng)的降落指令，無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)接收到相應(yīng)指令后，會(huì)減速熄火，降落傘倉(cāng)舵機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)解鎖傘倉(cāng)，受扭彈簧作用影響，彈開(kāi)傘倉(cāng)蓋，引導(dǎo)傘會(huì)迎專(zhuān)業(yè)風(fēng)展開(kāi)，并且能夠快速充氣，無(wú)人機(jī)中的主降落傘會(huì)被拉出，并且充滿(mǎn)空氣，受空氣阻力作用影響，用于拉扯無(wú)人機(jī)降落速度的繩子會(huì)被拉直，降落傘繩拉力解鎖鎖傘機(jī)自動(dòng)分離裝置，并且，要開(kāi)啟著落緩沖裝置，無(wú)人機(jī)安全墜落。無(wú)人機(jī)墜落瞬間，降落傘傘繩保持松弛，無(wú)人機(jī)中的降落傘自動(dòng)分離裝置內(nèi)的掛鉤將會(huì)被彈開(kāi)，降落傘會(huì)與無(wú)人機(jī)發(fā)生分離。

4? 設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)降落傘自當(dāng)分離裝置結(jié)構(gòu)

4.1 降落傘機(jī)自動(dòng)分離裝置模型

為了避免干擾無(wú)人機(jī)電磁信號(hào)，降落傘機(jī)自動(dòng)分離裝置采用的為純結(jié)構(gòu)，該裝置一共由、外殼、掛鉤、帶耳螺母、頂絲、鋼珠、扭簧、螺紋銷(xiāo)、無(wú)人機(jī)吊環(huán)多個(gè)構(gòu)件共同構(gòu)成，無(wú)人機(jī)在降落期間，降落傘繩始終都保持緊繃狀態(tài)，同時(shí)，該裝置也保持緊繃狀態(tài)。無(wú)人機(jī)著落時(shí)，無(wú)人機(jī)與落地接觸瞬間，無(wú)人機(jī)中上的著落緩沖裝置的作用將會(huì)生效，這會(huì)降低無(wú)人機(jī)降落速度，速度不斷減緩，最終發(fā)生輕微反彈，降落傘會(huì)處于松弛狀態(tài)。結(jié)構(gòu)中的扭簧在彈力作用下將會(huì)被彈開(kāi)，這將會(huì)導(dǎo)致降落傘自動(dòng)分離裝置被斷開(kāi)，無(wú)人機(jī)與降落傘裝置會(huì)完成分離。

4.2 無(wú)人機(jī)降落傘自動(dòng)分離裝置分析

該類(lèi)型的降落傘自動(dòng)分類(lèi)裝置主要適合安裝在小型固定翼無(wú)人機(jī)，其可以在野外作業(yè)中應(yīng)用，樂(lè)意通過(guò)主動(dòng)方式完成降落，也能夠用在遇到緊急情況時(shí)，進(jìn)行迫降，該類(lèi)型的無(wú)人機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

4.3 無(wú)人機(jī)降落傘自動(dòng)分離裝置采用的材料

無(wú)人機(jī)降落傘自動(dòng)分離裝置采用的材料如表2所示。

通過(guò)表2中數(shù)可以看出，對(duì)于無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，彈簧、扭簧在具體制造時(shí)都采用給常用的彈簧鋼制造，牌號(hào)為65Mn，采用該材料的原因是因?yàn)樵摬牧暇陀休^好的強(qiáng)度和硬度，并且，回彈效果好，因此，將其作為原材料制成彈簧、扭簧，將該材料制作而成的彈簧、扭簧應(yīng)用到無(wú)人機(jī)中，能夠使無(wú)人機(jī)降落傘在應(yīng)用時(shí)的具體作用可以得到合理發(fā)揮;無(wú)人機(jī)降落傘自動(dòng)分離裝置的外殼在無(wú)人機(jī)降落期間僅收彈簧和鋼珠兩者的作用力影響。對(duì)于殼體來(lái)說(shuō)，不需要具有太大強(qiáng)度，在具體設(shè)計(jì)期間，從防銹蝕和整體美觀性入手對(duì)具體設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，最終決定采用通過(guò)T5時(shí)效處理的2A12 牌號(hào)鋁合金，這一材料不僅可以滿(mǎn)足應(yīng)用需求，而且具有不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)，這也是該材料得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵;無(wú)人機(jī)降落傘自動(dòng)分離裝置結(jié)構(gòu)中的頂絲和鋼珠在應(yīng)用時(shí)僅受彈簧力作用影響，對(duì)于該結(jié)構(gòu)的制造，采用304不銹鋼即可;整個(gè)裝置中的螺紋銷(xiāo)起到的作用是連接無(wú)人機(jī)吊環(huán)與掛鉤，因此，其在具體應(yīng)用時(shí)，會(huì)遭受到較大剪切應(yīng)力，為了避免螺紋銷(xiāo)遭受破壞，提高該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，要利用高強(qiáng)度45#鋼，將其作為制造材料。此外，為了確保最終設(shè)計(jì)產(chǎn)品在應(yīng)用的可靠性，以及應(yīng)用效果良好，在裝置內(nèi)部要進(jìn)行潤(rùn)滑和除銹處理，保證裝置在應(yīng)用過(guò)程中內(nèi)部不出現(xiàn)銹蝕情況，以免裝置在應(yīng)用時(shí)的作用無(wú)法得到發(fā)揮。

5? 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)無(wú)人機(jī)降落受降落傘拖拽影響，設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)降落傘自動(dòng)分離系統(tǒng)，整個(gè)裝置采取了純機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以避免無(wú)人電磁信號(hào)干擾，整個(gè)結(jié)構(gòu)安裝簡(jiǎn)單、小巧，同時(shí)采用該裝置可以避免無(wú)人機(jī)降落時(shí)發(fā)生嚴(yán)重拖拽問(wèn)題，應(yīng)用效果良好。

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