吳 斌，吳文志

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

一種視頻監(jiān)控用系留型四旋翼無(wú)人飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

吳 斌，吳文志

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

多旋翼無(wú)人飛行器容易實(shí)現(xiàn)自由起降，機(jī)動(dòng)性好，在軍民兩用方面有著非常廣泛的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)分析四旋翼飛行器的飛行原理，文中給出了一種視頻監(jiān)控用系留型四旋翼無(wú)人飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。重點(diǎn)闡述了該結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)功能與組成、材料的選擇及收放式起落架設(shè)計(jì)。建立有限元模型對(duì)該結(jié)構(gòu)在風(fēng)載荷、旋翼升力及降落沖擊工況下的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

四旋翼飛行器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析；優(yōu)化

引 言

近年來(lái)，微小型四旋翼無(wú)人飛行器以其新穎的結(jié)構(gòu)布局、獨(dú)特的飛行方式引起了人們廣泛的關(guān)注。與固定翼機(jī)相比，旋翼無(wú)人飛行器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可垂直起落、空中懸停、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在軍民兩用方面有十分廣闊的應(yīng)用前景，已引起廣泛的研究興趣[1-3]。根據(jù)飛行方式，旋翼飛行器可分為自由型和系留型。目前的產(chǎn)品主要集中在自由型多旋翼，主要面向航模愛(ài)好者，單塊電池僅能支持飛行器滯空15 min左右；而系留型多旋翼飛行器通過(guò)系留纜繩實(shí)現(xiàn)地面供電和光纖數(shù)據(jù)傳輸，具有滯空時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于長(zhǎng)時(shí)間不間斷的空中監(jiān)控和應(yīng)急通訊[4]。以系留型多旋翼飛行器為平臺(tái)，搭載多種監(jiān)控設(shè)備可以彌補(bǔ)星載、機(jī)載、球載、地面等多種監(jiān)控設(shè)備的不足，具有高機(jī)動(dòng)性、高效能等特點(diǎn)[5-6]。系留型多旋翼飛行器監(jiān)控系統(tǒng)作為一種新型預(yù)警偵查設(shè)備，在公共安全領(lǐng)域中發(fā)揮的作用日益重要。

本文以系留型四旋翼無(wú)人飛行器為研究對(duì)象，給出了一種視頻監(jiān)控用折疊式系留型四旋翼無(wú)人飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。重點(diǎn)闡述了該結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)功能與組成、材料的選擇及收放式起落架設(shè)計(jì)?；谠摻Y(jié)構(gòu)方案，建立了相應(yīng)的有限元模型，對(duì)該結(jié)構(gòu)在風(fēng)載荷、旋翼升力及降落沖擊工況下的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，該方案具有方便運(yùn)輸、可快速架設(shè)/拆收等特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

1 設(shè)計(jì)原則

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，遵循如下原則：

1)合理性。作為升空部分設(shè)備的安裝平臺(tái)，應(yīng)滿足各部件的連接要求，結(jié)構(gòu)件在關(guān)聯(lián)處能夠快速可達(dá)，連接可靠，載荷傳遞方式合理。

2)輕量化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量選用輕質(zhì)、高強(qiáng)度材料，在保證結(jié)構(gòu)承受各種規(guī)定載荷狀態(tài)下具有足夠的剛強(qiáng)度和壽命的前提下，使結(jié)構(gòu)質(zhì)量盡可能輕。

3)工藝性。結(jié)構(gòu)工藝性的好壞直接影響加工周期和成本。應(yīng)少用新材料和新工藝，減少材料和緊固件的類型和盡量選用標(biāo)準(zhǔn)件。

4)維修性。合理布置分離面和開(kāi)口，保證壽命周期內(nèi)能夠快速、可靠地進(jìn)行維護(hù)、檢修。

5)美觀性。綜合運(yùn)用構(gòu)圖、色彩搭配、光影效果、明暗等方面的知識(shí)，構(gòu)建精美的外觀造型，達(dá)到良好的視覺(jué)效果和工藝美術(shù)感染力。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能與組成

系留型四旋翼飛行器監(jiān)控系統(tǒng)是一種基于四旋翼飛行器的升空工作平臺(tái)，用于搭載光電載荷，對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間巡視，完成情報(bào)收集工作。系統(tǒng)包括地面保障設(shè)備、系留纜繩和空中工作平臺(tái)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作示意圖

地面保障設(shè)備包括運(yùn)輸車、發(fā)電機(jī)、電源模塊、測(cè)控設(shè)備等，保障空中工作平臺(tái)可靠、持續(xù)工作。

2.2 材料的選擇

空中平臺(tái)結(jié)構(gòu)采用不同型號(hào)的碳纖維管材和板材搭接而成，各種型材均采用三維編織T300碳纖維復(fù)合材料，具有較輕的質(zhì)量和較高的強(qiáng)度。為了最大程度減輕結(jié)構(gòu)重量，設(shè)備艙主體的3層碳纖維板材的厚度依據(jù)載荷的大小，從上到下依次為1.5 mm、2 mm、1.8 mm，并設(shè)計(jì)合理的減輕孔。支撐臂和起落架主要承受彎矩載荷，采用抗彎性能較強(qiáng)的碳纖維管材。任務(wù)載荷掛架及輔助豎梁等應(yīng)力比較大的零件采用質(zhì)輕強(qiáng)度高的航空鋁合金材料7075-T651，不僅可以降低結(jié)構(gòu)的重量，還提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和韌性。

碳纖維復(fù)合材料編織的零件在鉚接時(shí)存在易被壓潰和碎裂的現(xiàn)象，為了保證零件間的聯(lián)接質(zhì)量，所有復(fù)合材料零件均采用鋁合金接頭搭接。搭接時(shí)，為保證裝配精度，需配合專用定位工裝進(jìn)行，裝配方案見(jiàn)圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)平臺(tái)總裝

2.3 任務(wù)載荷和系留纜繩安裝

任務(wù)載荷為高清攝像機(jī)，可覆蓋水平360°、俯仰90°的范圍，從而實(shí)現(xiàn)全方位立體視頻監(jiān)視。依據(jù)任務(wù)載荷的結(jié)構(gòu)形式及安裝接口，將任務(wù)載荷吊艙設(shè)計(jì)成法蘭式，如圖3所示。任務(wù)載荷吊艙上部通過(guò)8個(gè)螺釘與設(shè)備艙連接，底部為系留纜繩支架。任務(wù)載荷吊艙采用鋁合金7075-T651機(jī)加而成，整個(gè)吊艙僅105 g，滿足輕量化設(shè)計(jì)要求。

圖3 任務(wù)載荷吊艙

2.4 收放式起落架設(shè)計(jì)

起落架是保證四旋翼飛行器安全著陸的關(guān)鍵件，主要作用是吸收并耗散飛行器著陸垂直速度產(chǎn)生的動(dòng)能，其工作性能的好壞以及可靠性直接影響整機(jī)的使用和安全。

在四旋翼飛行器空中飛行時(shí)，為了避免起落架遮擋監(jiān)控設(shè)備的視角，需將起落架向上收起。因此，設(shè)計(jì)時(shí)不但要考慮起落架的功能實(shí)現(xiàn)，還要設(shè)計(jì)收放機(jī)構(gòu)，圖4為四旋翼飛行器飛行時(shí)起落架的收起狀態(tài)。

圖4 四旋翼飛行器飛行時(shí)起落架的收起狀態(tài)

3 有限元分析

依據(jù)四旋翼飛行器的實(shí)際應(yīng)用工況和空中工作平臺(tái)的具體結(jié)構(gòu)形式，建立有限元分析模型，對(duì)該飛行器在風(fēng)載荷、旋翼升力及降落沖擊工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度響應(yīng)進(jìn)行了仿真分析。

3.1 結(jié)構(gòu)材料

四旋翼飛行器空中平臺(tái)結(jié)構(gòu)主要由三維編織T300碳纖維復(fù)合材料和航空鋁合金7075-T651組成，材料型號(hào)及參數(shù)如表1所示。

表1 空中平臺(tái)結(jié)構(gòu)材料型號(hào)及參數(shù)

3.2 模型載荷

作用在四旋翼飛行器上的外載荷主要有質(zhì)量載荷、空氣動(dòng)力、旋翼推力和地面沖擊載荷，如表2所示。

表2 四旋翼飛行器載荷

3.3 分析結(jié)果

借助有限元分析軟件對(duì)四旋翼飛行器在以下幾種極限載荷工況下的強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算：1)極限風(fēng)速8 m/s；2)飛行器上升過(guò)程中，最大過(guò)載2g；3)飛行器降落時(shí)承受速度為1 m/s的沖擊。

計(jì)算結(jié)果表明：

1)空中飛行時(shí)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力位于任務(wù)載荷吊艙和系留纜繩支架的連接處，碳纖維編織零件的最大應(yīng)力位于支撐臂靠近設(shè)備艙附近，最大位移位于螺旋槳處，其應(yīng)力云圖及變形云圖如圖5和圖6所示。

圖5 空中飛行時(shí)的應(yīng)力云圖及變形云圖

圖6 空中飛行時(shí)吊艙和支架的應(yīng)力云圖

2)著陸瞬間，平臺(tái)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力位于起落架收放機(jī)構(gòu)上，碳纖維編織零件的最大應(yīng)力位于設(shè)備艙與起落架連接處，最大位移位于起落架與地面接觸處，其應(yīng)力云圖及變形云圖如圖7所示。

圖7 著陸時(shí)的應(yīng)力云圖

3種工況下的最大應(yīng)力、安全裕度和位移見(jiàn)表3。

表3 仿真分析結(jié)果

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化前，任務(wù)載荷吊艙和系留纜繩支架的材料為航空鋁材7075，最大應(yīng)力σmax為40.8 MPa，鋁材強(qiáng)度極限σb=510 MPa，安全系數(shù)f取1.5，結(jié)構(gòu)的安全裕度：

(1)

由式(1)可知，任務(wù)載荷吊艙和系留纜繩支架的安全裕度過(guò)大，可進(jìn)一步優(yōu)化。由于兩者均為薄壁結(jié)構(gòu)形式，依據(jù)應(yīng)力分布云圖合理縮減壁厚。此外，為縮減加工周期和成本，可將材料換為材料參數(shù)相同的常規(guī)鋁合金材料5A06-H112。優(yōu)化后，最大應(yīng)力為136.7 MPa，材料強(qiáng)度極限為315 MPa，代入式(1)可得安全裕度為0.53，滿足使用要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了一種四旋翼飛行器空中平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了空中平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式和工藝實(shí)現(xiàn)方法，并根據(jù)結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度有限元分析結(jié)果，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。在保證平臺(tái)結(jié)構(gòu)可靠性的前提下，縮減了加工成本，提高了結(jié)構(gòu)的工藝性能，為四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

[1] 陳軍. 四旋翼飛行器自動(dòng)控制仿真研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2015, 32(7): 88-91.

[2] 侯永鋒, 陸連山, 高尚德, 等. 基于PD算法的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2012, 31(3): 359-362.

[3] 王偉, 馬浩, 徐金琦, 等. 多旋翼無(wú)人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)體設(shè)計(jì)方法研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2014(5): 147-150.

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吳 斌(1983-)，男，碩士，工程師，主要從事傳感器飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Structure Design of a Tethered Quad-rotor Unmanned Aerial Vehicle Used for Video Surveillance

WU Bin，WU Wen-zhi

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

Multi-rotor unmanned aerial vehicle (UAV) has wide applications in the military and civil fields, due to its merits such as taking off and landing vertically, good maneuverability. In this paper, the structure design scheme of a tethered quad-rotor UAV used for video surveillance is proposed based on the flight principle of quad-rotor UAV. The function and compostion, material selection, the design of retractable landing gear of the UAV are mainly discussed. Finite element models are created to compute the structure strength under the working conditions of wind load, rotor lift and landing impact. Structure optimization is carried out according to the finite element analysis. Results show that the structure design satisfies the technique requirements.

quad-rotor unmanned aerial vehicle; structure design; finite element analysis; optimization

2015-11-24

V279+.2

A

1008-5300(2016)02-0039-03