氣象探測無人機及保護裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

李俊杰 霍宗鈺

（1.廣東東軟學(xué)院 廣東省佛山市 528225 2.廣東常用科技有限公司 廣東省佛山市 528225）

1 云雨粒子探測背景

隨著全球氣候變暖，氣候帶來的災(zāi)害逐漸增多而如今的發(fā)展情況下，現(xiàn)在的無人機雖然一直在改造升級，但安全層面上仍然存在瑕疵，顯得不夠完善。比如現(xiàn)在的云雨探測無人機飛行區(qū)域受限，續(xù)航時間短，難以高效地完成工作任務(wù)，其中還存在著安全隱患，因無人機以及儀器保護裝置的落后從而導(dǎo)致無人機事故眾多，許多昂貴儀器因此損壞也甚是可惜。所以無人機儀器保護裝置是無人機十分重要的一環(huán)，也是我國無人機發(fā)展應(yīng)用最重要的一環(huán)，關(guān)系到人們的安全和昂貴經(jīng)費的消耗。

氣象探測離不開對云雨粒子微物理特征的研究，在環(huán)境、大氣科學(xué)領(lǐng)域其屬于其中一個焦點。云雨粒子的相態(tài)（云相態(tài)是指云頂粒子的熱力學(xué)相態(tài)，利用衛(wèi)星遙感中的不同波段，可以對云相態(tài)進行識別）、形狀、含水量、粒徑分布以及粒子數(shù)濃度等參數(shù)對科學(xué)家研究預(yù)測此區(qū)域的天氣狀況、雨水從什么海洋飄過來、生活環(huán)境對天氣的影響、雨水引起的氣候變化、氣候?qū)d人機空中飛行安全的因素等眾多領(lǐng)域都有著不同程度的影響，對云雨粒子準(zhǔn)確測量的關(guān)鍵是為了能夠從云降雨的物理過程中獲取。科學(xué)家研究云雨粒子的微物理特征從無到有已經(jīng)開發(fā)了多種遙感技術(shù)并在實踐中應(yīng)用，可以通過地面接發(fā)基站和天空接發(fā)基站的遙感儀器通過反演得到空氣中云雨粒子的微物理參數(shù)，不過在此過程需要搭建云雨水粒子它們之間相互產(chǎn)生的特性的假設(shè)，但是這種性質(zhì)的假設(shè)是需要分析現(xiàn)場測量結(jié)果得到的。所以通過機載（目前技術(shù)大多以熱氣球升空搭載）云雨粒子現(xiàn)場測量設(shè)備通常被認為可以較為準(zhǔn)確地獲取云和雨粒子的微物理特性，目前已被廣泛地應(yīng)用在云雨物理、人工影響天氣研究和衛(wèi)星、雷達等設(shè)備遙感結(jié)果的驗證中。

本研究搭載的是水凝物視頻探空儀（Hydrometeor Videosonde，HYVIS），這款探測器是屬于碰撞取樣方式，其是一種利用膠片和涂層形成的采樣面收集由粒子之間碰撞產(chǎn)生的印痕，并進一步進行人工或自動處理得到粒子形狀、直徑和尺度譜信息的球載云降水粒子測量儀器。在飛行過程中直接對粒子印痕拍照回傳處理。水凝物視頻探空儀內(nèi)含顯微相機以及精密相機2個攝影機，其中顯微相機的視場為0.9mm×1.2mm，用于拍攝粒徑小于300μm的小粒子；精密相機的視場為5.25mm×7mm，用于拍攝粒徑大于300μm的大粒子。

將連接GPS無線探空儀的HYVIS用無人機飛向天空，捕獲大氣中直徑數(shù)十至數(shù)百微米的粒子。將捕獲的粒子附著在膠片上，用兩種相機（顯微鏡和特寫）交替拍攝，然后作為視頻信號發(fā)送到地面站。通過拍攝的圖像，可以計算附著粒子的形狀，大小，數(shù)量和粒子的數(shù)量密度。HYVIS的直接觀測用于觀測積雨云和臺風(fēng)，極化雷達辨別和評估降水粒子，云分辨率數(shù)值模擬和火山灰監(jiān)測。

傳統(tǒng)探測方式采用熱氣球掛載HYVIS探空儀自由上升至云層進行云雨粒子的采集，隨后待熱氣球燃料耗盡后自由飄落。由于熱氣球會隨著風(fēng)的因素隨意飄動，儀器降落的位置是未知的，容易給地面人員帶來安全隱患，在落地后的回收也往往非常艱難，并且容易出現(xiàn)儀器下落途中造成損壞?，F(xiàn)代探測方式采用無人機搭載HYVIS探空儀垂直上升至收集區(qū)域后便返回地面，能精準(zhǔn)、快速以及安全的回到地面，高效的完成工作任務(wù)。

2 無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

無人機需具備以下條件：

（1）飛行風(fēng)力：6級風(fēng)-7級風(fēng)；

（2）飛行速度：4-5m/s；

（3）儀器重量：1600g；

（4）飛行升限：1000m；

（5）飛行半徑：250m；

（6）飛行方式：垂直上升；

（7）飛行時長：30min；

（8）起降區(qū)域：具有不小于50m乘50m平整無雜物地面；

（9）垂直速度：>3m/s。

無人機結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。整機布局以不倒翁架構(gòu)，設(shè)計的電池倉在無人機底部的正下方，提供重心在下，使無人機在遇到特殊情況下也不會傾斜翻轉(zhuǎn)從而保護儀器。將云雨粒子探空儀放置在無人機的頂板上的儀器保護倉內(nèi)，再蓋上儀器保護倉蓋，蓋上設(shè)計有云雨粒子的收集口。儀器保護倉的四周設(shè)有氣墊緩沖裝置，給儀器的安全提供多一層保障。儀器保護倉與機身本體之間采用快拆結(jié)構(gòu)相連，方便儀器的拆裝替換。

圖1：無人機結(jié)構(gòu)布局圖

2.2 總體結(jié)構(gòu)

多旋翼無人機系統(tǒng)分別是由機架、動力系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)三部分組成，其中機架包括機身、機臂和起落架；其次動力系統(tǒng)包括電機、電調(diào)、電源和螺旋槳；最后指揮控制系統(tǒng)包括遙控器、接收機、GPS、飛控、電臺部分多旋翼無人機還有地面站。

2.3 機架設(shè)計

從古至今，學(xué)會運用巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計會提高其可靠性。多旋翼無人機的結(jié)構(gòu)設(shè)計也不例外。根據(jù)無人機自身需要的動力系統(tǒng)裝置的選型以及搭載的儀器的重量配置位來設(shè)計。多旋翼無人機在各類零件的尺寸設(shè)計方面有著密切的關(guān)系，影響著整體的性能。大致有：機架、機臂、螺旋槳等尺寸。如果把機臂的夾角用符號θ來表示，常見的四旋翼無人機對應(yīng)的角度θ=90°；而常規(guī)結(jié)構(gòu)的六旋翼對應(yīng)θ=60°。從圖2得知，設(shè)機臂數(shù)為n，則θ=360°/n，此時機架半徑R與旋翼最大半徑r存在如下關(guān)系：

圖2：Y6六旋翼、傳統(tǒng)四旋翼、傳統(tǒng)六旋翼無人機結(jié)構(gòu)示意圖

R=r/sinθ/2=r/sin180°/n

2.3.1 機身與起落架

機身是承載無人機所有設(shè)備的一個平臺。其實用性、穩(wěn)定性和續(xù)航能力都與機身的設(shè)計有關(guān)。所以需要在設(shè)計無人機前，選定無人機機身的材料、尺寸、重量和強度等條件尤為重要。而起落架則是無人機在起降時重要的一個支柱，其可以保持無人機的水平平衡；還可以在無人機接觸地面時起到緩沖保護作用。

機身選用碳纖維板材，雖然其造價昂貴，但是提供的動力效率高，并且碳纖維材質(zhì)密度小、強度高，符合設(shè)計的無人機要求。為了使無人機能提供更大的載重能力，因此需要無人機本身的重量有所控制，起落架同樣采用碳纖維材料的管子，強度和硬度都比大部分材料都好。

2.3.2 布局設(shè)計

無人機一般的布局設(shè)計是含有三個條件。首先是機架自身整體形狀；其次是與至接觸面平滑度；最后是零部件與機身等結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)分布合理性。

機身布局：

（1）常規(guī)（交叉）結(jié)構(gòu)。以多旋翼中的四旋翼為例子，常規(guī)的結(jié)構(gòu)布局就是以中心點為整體，四個旋翼為直接動力源，其中電機螺旋槳安裝在機臂的最尾部，延伸的機架相互交叉與中心點，機身中間的位置負責(zé)安置飛控、接收機、電源供電模塊以及一些其他外部設(shè)備。四旋翼按機頭與機架之間形成夾角的關(guān)系可分為X型結(jié)構(gòu)以及+型結(jié)構(gòu)（如圖3所示）。X型比+型的設(shè)計具有更高的操作機動性。因為X型是以逆時針?biāo)愀┮暉o人機右上為第一機臂，安裝逆時針電機（CCW），左上則為第二機臂，安裝順時針電機（CW），逆時針以此類推，因此此結(jié)構(gòu)有更多的旋翼進行俯仰角控制和姿態(tài)控制，可進行手動、姿態(tài)、GPS模式操作，是目前無人機中最為常見的設(shè)計，可以有效減少機臂以及旋翼對云臺視野的遮擋。

圖3：+型、X型布局

（2）環(huán)形布局。環(huán)形布局的多旋翼無人機基本外形與上述X型結(jié)構(gòu)布局相類似。環(huán)形布局多旋翼的機架組合成一個整體，與傳統(tǒng)的X型機架相比，其剛性更大，并且有助于降低無人機飛行時電機與螺旋槳之間產(chǎn)生的振動。但作為代價，環(huán)形布局的設(shè)計會增加整體機身體積以及重量，在一定程度上影響了多旋翼無人機機動性高這一優(yōu)點。

氣動布局：

對布局進行空氣動力學(xué)設(shè)計的目的主要是為了降低飛行時機身的阻力。我們可以通過阻力公式：

D=1/2*ρ*V*S*C

得出無人機飛行時受阻的因素，其中有空氣密度、空速、接觸面積以及升力。由此可以把阻力分為無人機接觸面的摩擦阻力、無人機飛行時的壓差阻力、無人機提供升力而產(chǎn)生的誘導(dǎo)阻力和零部件之間的干擾阻力。

（1）摩擦阻力。多旋翼無人機在飛行過程中機身與大氣的接觸面稱為附面層，摩擦阻力在其上與飛行方向呈反向。粘性越大的空氣流過無人機時對飛行影響越大，無人機的表面粗糙程度越大或無人機與空氣接觸的表面積越大，則摩擦阻力越大。

（2）壓差阻力。多旋翼無人機飛行時機身前后壓強差形成的阻力。這一阻力主要是受空氣流過物體時與其接觸的迎風(fēng)面積的大小有關(guān)，若迎風(fēng)面積越大，則所受的壓差阻力也越大。無人機的外形結(jié)構(gòu)也對壓差阻力也有很大影響，雖然它們的最大迎風(fēng)面積是相同，但是它們所受的阻力卻是相差很大，其中圓盤所受的壓差阻力是最大的，球形是次之，而流線體的最?。ㄖ挥袌A盤所受壓差阻力的1/20）。

（3）誘導(dǎo)阻力。伴隨升力而產(chǎn)生的阻力。多旋翼高速前飛時機身能產(chǎn)生升力，就會產(chǎn)生誘導(dǎo)阻力。

（4）干擾阻力。飛機的各個部件組合在一起所產(chǎn)生的阻力并不等于單獨置于氣流中所產(chǎn)生的阻力總和，其中額外的阻力就是干擾阻力。我們?yōu)榱藴p少干擾阻力，往往需要細致分析考慮和安排各個部件之間的相對位置，與此同時盡量使各個部件直接的連接處盡量以圓滑結(jié)構(gòu)過渡，便于降低非必要的阻力。對于需要高速前飛者遠距離巡航飛行的多旋翼，從設(shè)計無人機結(jié)構(gòu)的氣動布局來降低飛行中的阻力提升飛行效率是一大關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)氣動布局設(shè)計時需要考慮多旋翼無人機在前飛時的傾角，減少最大迎風(fēng)面積，并保證機身設(shè)計的流線型，還不能忽略在機身中各部件之間的布局，在安置合理性的同時連接處要圓滑的結(jié)構(gòu)過渡，避免每一處零件帶來的阻力，在機身硬度要求合適的前提下保證表面的光滑程度。更進一步，可以通過CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學(xué)）仿真計算阻力系數(shù)，不斷優(yōu)化外形設(shè)計，以期獲得滿意的多旋翼飛行性能。

3 基于探空儀的安全裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 儀器保護倉設(shè)計

圖4為儀器保護倉，用于保護云雨粒子探測器，安裝飛機頂部，對于該儀器我們在使用過程中只將探測部分露出其他區(qū)域均有海綿包裹，防止炸機、輕微側(cè)翻給儀器造成的傷害，減少損失。倉體結(jié)構(gòu)根據(jù)無人機重心設(shè)計，以最小的體積放下多種探測儀器，內(nèi)部可以根據(jù)不同的內(nèi)襯設(shè)計進行不同儀器的安裝，多功能型更合適不同環(huán)境運用不同儀器設(shè)備。

圖4：儀器保護倉

3.1.1 內(nèi)部構(gòu)造

由于儀器作業(yè)過程中與無人機一同會受到振動，在儀器倉內(nèi)部設(shè)計采用EVA泡棉（圖5）材料做內(nèi)襯對振動帶來的影響進行緩沖。

圖5：Eva泡棉

3.1.2 外部構(gòu)造

保護倉外部通常會受到沙石等意外情況的磨損，綜合分析外部應(yīng)當(dāng)使用ABS硬塑料來制作。ABS塑料稱為工程塑料，其是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯組成的三元共聚物，于EVA泡棉類似都是具有耐腐蝕、耐高溫、高彈性、高韌性等優(yōu)點。ABS之所以被稱為工程塑料是源于在汽車飛機等眾多機械行業(yè)都得到廣泛應(yīng)用，堅硬的特性使其遍布各行各業(yè)的產(chǎn)品當(dāng)中。在安全性能方面考慮在遇到危險情況下，堅硬的外殼以及其高強度的韌性能提供一定的緩沖能力，即使外部受損內(nèi)部也能把損傷降到最低。

3.2 氣墊緩沖裝置設(shè)計

圖6為儀器保護倉與氣墊緩沖裝置，用于保護云雨粒子探測器，使用定制連接快拆卡扣與飛機頂部固定，對于該儀器我們在使用過程中只將探測部分露出，儀器倉四周安裝氣墊緩沖裝置在遇到緊急情況時感應(yīng)器檢測到加速度過大，傾斜角超過90°就會打開氣墊，防止一切因素給儀器造成的損害。

圖6：儀器保護倉與氣墊緩沖裝置

3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

儀器保護倉外部安裝氣墊緩沖裝置，同樣由ABS材料制作的外殼，位置安裝在倉體側(cè)面，盒體中心位于保護倉底部重心的外部中心。

3.2.2 電路設(shè)計

氣墊控制器通過接收傾斜角傳感器以及加速度計傳感器提供的信號進行緊急啟動，地面操作人員也可以通過無線模塊發(fā)射信號到接收器上進行手動啟動。

信號傳輸示意圖如圖7所示。

圖7：信號傳輸示意圖

氣象無人機在正常作業(yè)期間，當(dāng)無人機的傾斜角傳感器或加速度傳感器檢測到異常狀況下反饋給總控，總控對氣墊緩沖裝置傳輸信號使其啟動保護，同時給地面控制傳輸信號并提示異常情況；保護倉設(shè)有獨立的傳感器，任意傳感器檢測到異常后會同時傳輸信號至氣墊緩沖裝置及總控，避免當(dāng)總控發(fā)生異常情況下也能啟動保護裝置。地面控制端可根據(jù)人為判斷獨立控制氣墊緩沖裝置的啟動。

4 快拆裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

快拆結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)儀器實際的使用需求能快速對作業(yè)完成后的設(shè)備進行替換。底座與無人機連接，連接板與保護倉連接，通過配合位置進行快拆安裝實現(xiàn)。如圖8所示。

圖8：快拆結(jié)構(gòu)示意圖（關(guān)閉）

5 總結(jié)

本設(shè)計根據(jù)當(dāng)前氣象探測現(xiàn)狀與工作環(huán)境等因素結(jié)合進行分析，設(shè)計出滿足需求的氣象探測無人機，針對實際工作環(huán)境可能出現(xiàn)的異常問題進行逐一改進，通過多次模擬實驗進行驗證可行性，實驗出現(xiàn)的情況進行記錄與完善設(shè)計。最終實現(xiàn)高效且安全的氣象探測無人機作業(yè)。