吳 斌，吳文志

(中國電子科技集團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人飛行器的結構設計*

吳 斌，吳文志

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

多旋翼無人飛行器容易實現(xiàn)自由起降，機動性好，在軍民兩用方面有著非常廣泛的應用價值。通過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人飛行器的結構設計方案。重點闡述了該結構的系統(tǒng)功能與組成、材料的選擇及收放式起落架設計。建立有限元模型對該結構在風載荷、旋翼升力及降落沖擊工況下的強度進行計算，并根據(jù)有限元計算結果對結構進行了優(yōu)化。結果表明，該結構設計滿足技術指標要求。

四旋翼飛行器；結構設計；有限元分析；優(yōu)化

引 言

近年來，微小型四旋翼無人飛行器以其新穎的結構布局、獨特的飛行方式引起了人們廣泛的關注。與固定翼機相比，旋翼無人飛行器具有結構簡單、可垂直起落、空中懸停、重量輕等優(yōu)點，在軍民兩用方面有十分廣闊的應用前景，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系留纜繩實現(xiàn)地面供電和光纖數(shù)據(jù)傳輸，具有滯空時間長、數(shù)據(jù)傳輸速度快等優(yōu)點，特別適用于長時間不間斷的空中監(jiān)控和應急通訊[4]。以系留型多旋翼飛行器為平臺，搭載多種監(jiān)控設備可以彌補星載、機載、球載、地面等多種監(jiān)控設備的不足，具有高機動性、高效能等特點[5-6]。系留型多旋翼飛行器監(jiān)控系統(tǒng)作為一種新型預警偵查設備，在公共安全領域中發(fā)揮的作用日益重要。

本文以系留型四旋翼無人飛行器為研究對象，給出了一種視頻監(jiān)控用折疊式系留型四旋翼無人飛行器的結構設計方案。重點闡述了該結構的系統(tǒng)功能與組成、材料的選擇及收放式起落架設計?；谠摻Y構方案，建立了相應的有限元模型，對該結構在風載荷、旋翼升力及降落沖擊工況下的強度進行計算，并根據(jù)有限元計算結果對結構進行了優(yōu)化。結果表明，該方案具有方便運輸、可快速架設/拆收等特點，結構設計滿足技術指標要求。

1 設計原則

結構設計時，遵循如下原則：

1)合理性。作為升空部分設備的安裝平臺，應滿足各部件的連接要求，結構件在關聯(lián)處能夠快速可達，連接可靠，載荷傳遞方式合理。

2)輕量化設計。設計時，應盡量選用輕質、高強度材料，在保證結構承受各種規(guī)定載荷狀態(tài)下具有足夠的剛強度和壽命的前提下，使結構質量盡可能輕。

3)工藝性。結構工藝性的好壞直接影響加工周期和成本。應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準件。

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

5)美觀性。綜合運用構圖、色彩搭配、光影效果、明暗等方面的知識，構建精美的外觀造型，達到良好的視覺效果和工藝美術感染力。

2 結構設計

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，用于搭載光電載荷，對特定區(qū)域進行長時間巡視，完成情報收集工作。系統(tǒng)包括地面保障設備、系留纜繩和空中工作平臺，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作示意圖

地面保障設備包括運輸車、發(fā)電機、電源模塊、測控設備等，保障空中工作平臺可靠、持續(xù)工作。

2.2 材料的選擇

空中平臺結構采用不同型號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碳纖維復合材料，具有較輕的質量和較高的強度。為了最大程度減輕結構重量，設備艙主體的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，并設計合理的減輕孔。支撐臂和起落架主要承受彎矩載荷，采用抗彎性能較強的碳纖維管材。任務載荷掛架及輔助豎梁等應力比較大的零件采用質輕強度高的航空鋁合金材料7075-T651，不僅可以降低結構的重量，還提高了結構的強度和韌性。

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

圖2 結構平臺總裝

2.3 任務載荷和系留纜繩安裝

任務載荷為高清攝像機，可覆蓋水平360°、俯仰90°的范圍，從而實現(xiàn)全方位立體視頻監(jiān)視。依據(jù)任務載荷的結構形式及安裝接口，將任務載荷吊艙設計成法蘭式，如圖3所示。任務載荷吊艙上部通過8個螺釘與設備艙連接，底部為系留纜繩支架。任務載荷吊艙采用鋁合金7075-T651機加而成，整個吊艙僅105 g，滿足輕量化設計要求。

圖3 任務載荷吊艙

2.4 收放式起落架設計

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

在四旋翼飛行器空中飛行時，為了避免起落架遮擋監(jiān)控設備的視角，需將起落架向上收起。因此，設計時不但要考慮起落架的功能實現(xiàn)，還要設計收放機構，圖4為四旋翼飛行器飛行時起落架的收起狀態(tài)。

圖4 四旋翼飛行器飛行時起落架的收起狀態(tài)

3 有限元分析

依據(jù)四旋翼飛行器的實際應用工況和空中工作平臺的具體結構形式，建立有限元分析模型，對該飛行器在風載荷、旋翼升力及降落沖擊工況下的結構強度和剛度響應進行了仿真分析。

3.1 結構材料

四旋翼飛行器空中平臺結構主要由三維編織T300碳纖維復合材料和航空鋁合金7075-T651組成，材料型號及參數(shù)如表1所示。

表1 空中平臺結構材料型號及參數(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量載荷、空氣動力、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 分析結果

借助有限元分析軟件對四旋翼飛行器在以下幾種極限載荷工況下的強度進行了計算：1)極限風速8 m/s；2)飛行器上升過程中，最大過載2g；3)飛行器降落時承受速度為1 m/s的沖擊。

計算結果表明：

1)空中飛行時，平臺結構的最大應力位于任務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力位于支撐臂靠近設備艙附近，最大位移位于螺旋槳處，其應力云圖及變形云圖如圖5和圖6所示。

圖5 空中飛行時的應力云圖及變形云圖

圖6 空中飛行時吊艙和支架的應力云圖

2)著陸瞬間，平臺結構的最大應力位于起落架收放機構上，碳纖維編織零件的最大應力位于設備艙與起落架連接處，最大位移位于起落架與地面接觸處，其應力云圖及變形云圖如圖7所示。

圖7 著陸時的應力云圖

3種工況下的最大應力、安全裕度和位移見表3。

表3 仿真分析結果

4 結構優(yōu)化

優(yōu)化前，任務載荷吊艙和系留纜繩支架的材料為航空鋁材7075，最大應力σmax為40.8 MPa，鋁材強度極限σb=510 MPa，安全系數(shù)f取1.5，結構的安全裕度：

(1)

由式(1)可知，任務載荷吊艙和系留纜繩支架的安全裕度過大，可進一步優(yōu)化。由于兩者均為薄壁結構形式，依據(jù)應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，最大應力為136.7 MPa，材料強度極限為315 MPa，代入式(1)可得安全裕度為0.53，滿足使用要求。

5 結束語

本文詳細介紹了一種四旋翼飛行器空中平臺結構的設計方案，詳細闡述了空中平臺的結構形式和工藝實現(xiàn)方法，并根據(jù)結構的剛強度有限元分析結果，對平臺結構進行了優(yōu)化。在保證平臺結構可靠性的前提下，縮減了加工成本，提高了結構的工藝性能，為四旋翼飛行器的結構設計提供了參考。

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

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[3] 王偉, 馬浩, 徐金琦, 等. 多旋翼無人機標準化機體設計方法研究[J]. 機械設計與制造, 2014(5): 147-150.

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[5] 高緒, 謝菊芳, 胡東, 等. 四旋翼無人機在柑橘園巡檢系統(tǒng)中的應用[J]. 自動化儀表, 2015, 36(7): 26-30.

[6] 王建敏. 旋翼無人機變速下的多圖像目標監(jiān)測仿真[J]. 計算機仿真, 2014, 31(11): 79-82.

吳 斌(1983-)，男，碩士，工程師，主要從事傳感器飛行器結構設計工作。

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