降落傘及安全氣囊在固定翼無人機(jī)中的應(yīng)用及研究

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局 龔小勝 蔡武惠 劉雪鋒 易崇瑞 邱廷偉

目前無人機(jī)巡線仍存在一些不可避免的的問題，如惡劣天氣臺(tái)風(fēng)、冰雹、雷電等對(duì)無人機(jī)飛行存在一定的不良影響,飛行過程中可能因自然原因或物理原因?qū)е聼o人機(jī)故障發(fā)生墜機(jī)，在植被生長(zhǎng)復(fù)雜的自然環(huán)境中去尋找無人機(jī)是一件極為困難的事情，本文研究一套無人機(jī)墜機(jī)機(jī)身查找裝置，可在墜機(jī)后及時(shí)查找到無人機(jī)。

1 固定翼無人機(jī)中設(shè)計(jì)降落傘

降落傘下降過程可分為拉直、充氣、穩(wěn)定下降三個(gè)階段。在拉直階段，在傘倉(cāng)中將緊捆扎的傘衣與傘繩迅速拉出。在充氣過程中將傘衣系統(tǒng)全長(zhǎng)拉直，并將傘衣充滿。最為復(fù)雜與重要的階段為最后的充氣階段，要求將傘衣完全充滿，在氣動(dòng)阻力的作用之下，降落傘一直處于一個(gè)持續(xù)減速的狀態(tài)，直至達(dá)到一個(gè)自然的平衡狀態(tài)，也即穩(wěn)定下降過程。

1.1 降落傘的幾何描述參數(shù)

傘衣與傘繩構(gòu)成了降落傘的主要結(jié)構(gòu)，一次充氣即可使得傘衣達(dá)到一定的形狀并使得其中產(chǎn)生一定的氣動(dòng)力織物，在幾何描述中要求關(guān)注交匯點(diǎn)與傘繩的有效長(zhǎng)度，其中交匯點(diǎn)指的是降落傘全部傘繩集合點(diǎn)，傘繩有效長(zhǎng)度指的是傘衣底邊一直至交匯點(diǎn)之間的距離。其中需要研究的幾何參數(shù)包括名義面積、名義直徑、投影直徑、結(jié)構(gòu)直徑、傘衣質(zhì)心、降落傘質(zhì)心、傘衣質(zhì)心至傘衣底部距離、充滿之后傘衣底部半徑。其中充滿狀態(tài)指的是在織物張力作用與空氣動(dòng)力作用之下，降落傘傘衣在穩(wěn)定下降狀態(tài)中的形狀。

1.2 傘衣充滿條件

降落傘充氣過程中要求能夠滿足一定的條件，要求在開傘過程中物-傘系統(tǒng)具有較大的速度，能夠滿足開傘所需要的動(dòng)壓。同時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，降落傘充滿過程中要求其中的速度能夠保持在一定的范圍之內(nèi)。降落傘是否充滿可以通過推導(dǎo)得出這一結(jié)論：vlk＜4vd＜v 條件下傘衣難以充滿；4vd＜vlk＜v 條件下傘衣需要經(jīng)過一段時(shí)間之后才能夠完全充滿；vmin＜v＜vlk 條件下傘衣能夠即時(shí)充滿。在上述條件描述中，傘衣充滿后系統(tǒng)下降速度以vd 表示，最小開傘速度以vmin 表示，臨界開傘速度以vlk 表示，傘衣充氣時(shí)系統(tǒng)的速度以v 表示。在初始充氣階段，參數(shù)以λ 表示，為一個(gè)常數(shù)，主要是由傘型確定的，與速度、高度沒有關(guān)系。在平面圓形密實(shí)傘降落過程中，λ 值為1.74±0.19，計(jì)算中可取其平均值1.74。

圓柱形傘衣不論具有何種形式，在初始充氣時(shí)期，其外傘衣外廓的尺寸基本一致。初始充氣的時(shí)間較短，因此傘衣的阻力面積值隨著時(shí)間的發(fā)展而呈現(xiàn)出線性變化特征。在主充氣狀態(tài)，傘衣逐漸呈現(xiàn)出較為明顯的非流線特征。傘衣充滿時(shí)間主要指的是從開始充氣一直至完全充滿所需要的時(shí)間，是降落傘性能評(píng)價(jià)的重要參數(shù)指標(biāo)，代表著傘衣充滿時(shí)間的長(zhǎng)短。

通過求解系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程的設(shè)置與計(jì)算能夠得到傘衣充滿時(shí)間，在充氣環(huán)節(jié)，傘衣內(nèi)外壓力差與系統(tǒng)瞬時(shí)速度處于不斷的變化過程之中。在計(jì)算過程中假設(shè)傘衣有效透氣量固定，空氣密度固定，傘衣阻力系數(shù)固定，傘衣投影面積隨著充氣時(shí)間而呈線性變化特征，在完全充氣之后傘衣呈現(xiàn)出半球形狀態(tài)。

2 固定翼無人機(jī)中設(shè)計(jì)氣囊

控制器、傳感器、氣囊、充氣器共同構(gòu)成安全氣囊裝置，使用中能夠碰撞緩沖氣囊，包括氣囊、充氣器等部件，煙火式、壓縮氣體、混合式等共同構(gòu)成了充氣器，在設(shè)計(jì)過程中要求重點(diǎn)關(guān)注氣囊氣體壓力和體積，氣囊充盈時(shí)刻與開啟時(shí)刻。氣囊設(shè)計(jì)過程中要求考慮氣囊氣體壓力、氣囊直徑、碰撞中的動(dòng)力學(xué)特征以及其對(duì)系統(tǒng)可能造成的影響等，并考慮多個(gè)氣囊構(gòu)成的氣囊包裹結(jié)構(gòu)等。氣囊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要求考慮充氣壓、氣囊體積、氣囊強(qiáng)度、氣囊流量與彈性等數(shù)值，并對(duì)此做相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。針對(duì)氣囊的運(yùn)行，從著陸加速度、氣囊壓力、氣囊質(zhì)量、速度—時(shí)間歷程、氣囊材料應(yīng)力等層面做跌落試驗(yàn)進(jìn)行研究。

氣囊的墊升原理。要求氣囊能夠符合基本靜力學(xué)關(guān)系，無人機(jī)底部表面壓縮空氣的合理性即無人機(jī)重力作用，也即氣囊的支撐力。壓心是氣囊壓力表面的面心，也即氣囊支撐力的點(diǎn)位置。支撐力與無人機(jī)重力值之差即氣囊墊升力。具有：Py=P-W，其中P 即支撐力，Py 為氣囊墊升力，W 為無人機(jī)重力。P＞W(wǎng) 情況下，Py 是方向向上的正值。靜止在硬性支持面狀況下，氣囊中的平均壓力值可表現(xiàn)為Pc=W/Se。

氣囊柔性壁張力。氣囊具有較大的柔性，屬于一種柔性薄殼。要求具有良好的穩(wěn)定與剛性。囊內(nèi)空氣壓力是柔性囊構(gòu)形的重要保證，空氣壓力形成的拉力則能夠保證氣囊的剛性與穩(wěn)定性。隨著空氣壓力的增高，要求氣囊具有更高的拉應(yīng)力，能夠提升其剛性與穩(wěn)定性。在空氣壓力的作用之下，柔性薄殼力圖能夠達(dá)到較大的體積形狀，這種形狀進(jìn)行過程中可能受到附加應(yīng)力的影響，有可能出現(xiàn)薄殼破裂現(xiàn)象。在外力作用之下而出現(xiàn)的壓縮應(yīng)力一旦高于拉應(yīng)力，可能改變氣囊形狀，出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。彈性力學(xué)原理是氣囊的重要工作原理，在氣囊受力分析層面主要運(yùn)用薄殼無矩理論方法及其公式。

3 案例分析

本項(xiàng)目研究通過GPS 和衛(wèi)星定位雙模塊對(duì)于墜落無人機(jī)進(jìn)行定位，增加尋找?guī)茁?。然后采用聲光?bào)警的方式，方便尋找墜落后的無人機(jī)殘骸。最終通過定位傳感器在無人機(jī)墜落后能夠和相關(guān)智能設(shè)備通訊定位，方便人工定位查找。

由于玉溪供電局電力輸電線路的覆蓋區(qū)域廣、穿越區(qū)域地形復(fù)雜并且自然環(huán)境惡劣、線路基礎(chǔ)、桿塔、導(dǎo)地線、金具等受外界侵害而出現(xiàn)缺陷和隱患，而現(xiàn)代無人機(jī)的出現(xiàn)具備高空、遠(yuǎn)距離、快速、自行作業(yè)的能力，可以穿越高山、河流對(duì)輸電線路進(jìn)行快速巡線，投入應(yīng)用了無人機(jī)巡線技術(shù)。

采用無人機(jī)和移動(dòng)地面站上的無線通訊模塊和衛(wèi)星定位模塊，通過衛(wèi)星定位、光、聲一體提示搜尋人員無人機(jī)墜落位置。無人機(jī)不同位置處設(shè)置無線通訊模塊和衛(wèi)星定位模塊，有效地降低了無線通訊出現(xiàn)故障的發(fā)生率，方便尋找。當(dāng)無人機(jī)失控后，聲光報(bào)警器開始報(bào)警，GPS 定位模塊將無人機(jī)的位置信息傳遞到處理器，再通過第二通信模塊將位置信息通信傳遞到第一通信模塊，并將位置信息在智能終端上顯示，方便尋找人員快速尋找到無人機(jī)殘骸。智能終端包括手機(jī)、手提電腦和平板電腦，通過智能終端可直接查看無人機(jī)殘骸的位置信息。

4 結(jié)語

為有效提升無人機(jī)飛行性能，要求將降落傘與安全氣囊配合使用，提升無人機(jī)的運(yùn)用范圍，增加其使用的廣泛性，優(yōu)化無人機(jī)的設(shè)計(jì)與使用，通過無人機(jī)墜機(jī)后查找機(jī)身裝置項(xiàng)目研究，優(yōu)化無人機(jī)的性能，擴(kuò)大無人機(jī)適用范圍。