無人機(jī)新型撞網(wǎng)回收系統(tǒng)設(shè)計與數(shù)值仿真

蔡 亮，閆兆武

(1.南昌航空大學(xué) 飛行器工程學(xué)院， 南昌 330063； 2.南昌航空大學(xué) 通航學(xué)院， 南昌 330063)

1 引言

無人機(jī)是指無人駕駛的飛行器，沒有飛行員或者乘客，可以進(jìn)行遙控駕駛或預(yù)先編程以自動飛行。無人機(jī)近些年發(fā)展迅猛，以其隱蔽能力強(qiáng)、生存能力強(qiáng)、造價低廉、不懼傷亡的特點受到了軍事和邊境的青睞，被廣泛應(yīng)用于提供情報，監(jiān)視，目標(biāo)獲取和偵察等任務(wù)。

無人機(jī)在軍事上應(yīng)用比較廣泛，而近幾年隨著無人機(jī)的發(fā)展，其在民用公共領(lǐng)域應(yīng)用場景也越來越多越多。根據(jù)國際無人駕駛系統(tǒng)協(xié)會(AUVSI)對美國無人機(jī)民用領(lǐng)域應(yīng)用的一項調(diào)查，無人飛行器行業(yè)的前三大應(yīng)用是建筑，基礎(chǔ)設(shè)施和農(nóng)業(yè)。這也表明無人機(jī)在各領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，承擔(dān)的任務(wù)也越來越重，其所攜帶的設(shè)備精密程度也越來越高，所以做到安全回收對于無人機(jī)的使用至關(guān)重要。

無人機(jī)的回收方式在選擇時受多個因素的影響，其中包括無人機(jī)自身重量、工作場合、用途、成本等限制?，F(xiàn)階段無人機(jī)回收方式主要有撞線回收、傘降式回收、撞網(wǎng)回收、跑道滑跑式回收、機(jī)腹擦地式回收、阻攔索回收、空中回收、氣囊著陸回收。

其中，無人機(jī)撞網(wǎng)回收技術(shù)比較成熟,簡單有效，但是撞網(wǎng)回收系統(tǒng)的難點在于無人機(jī)撞網(wǎng)時阻尼裝置的設(shè)計，在降低成本的同時，選擇合適的阻尼裝置對于安全回收無人機(jī)至關(guān)重要。撞網(wǎng)回收可以實現(xiàn)無人機(jī)零距離回收，這對于在山區(qū)、艦船、戰(zhàn)場或者其他沒有廣闊場地的地方回收無人機(jī)具有非常重要的意義。

撞網(wǎng)回收是無人機(jī)通過碰撞柔性阻攔網(wǎng)，從而進(jìn)行減速回收的一種方式。其中阻攔網(wǎng)在受力時呈現(xiàn)出非線性特點，難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，而采用非線性仿真工具，運(yùn)用有限元思想，可以很好地描述柔性網(wǎng)的非線性特性，從而更準(zhǔn)確的描述無人機(jī)撞網(wǎng)過程。萬佳寧等在ANSYS/LS-DYNA中用LINK167纜單元對警用網(wǎng)槍所用的柔性網(wǎng)進(jìn)行了建模和動力學(xué)仿真，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果相吻合。胡曉楠等在ANSYS/LS-DYNA中采用LINK167纜單元建立柔性繩索模型，并且實現(xiàn)了單根柔性繩索在空氣阻力作用下的動力學(xué)仿真，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果有較高的一致性，證明了仿真方法的有效性。曹強(qiáng)等基于有限元法，在ANSYS/LS-DYNA中用LINK167單元對具有非線性特性的柔性網(wǎng)進(jìn)行仿真建模，動態(tài)模擬了其彈射飛行過程，與實物實驗結(jié)果相吻合。朱超等在ANSYS/LS-DYNA中運(yùn)用LINK167纜單元對柔性網(wǎng)進(jìn)行有限元建模，并且模擬了旋轉(zhuǎn)柔性網(wǎng)與剛體目標(biāo)之間的碰撞等非線性接觸問題。

無人機(jī)撞網(wǎng)回收可按照按攔阻網(wǎng)和立網(wǎng)支架的數(shù)量不同劃分，可分為以下幾種方案：單網(wǎng)單桿、單網(wǎng)雙桿、單網(wǎng)三桿、雙網(wǎng)雙桿。褚永康、文登等在其設(shè)計的單網(wǎng)三桿撞網(wǎng)回收系統(tǒng)中運(yùn)用了渦輪阻尼器來降低回收無人機(jī)時的峰值過載。金泉等在其設(shè)計的單網(wǎng)雙桿撞網(wǎng)裝置中運(yùn)用自行車剎車阻尼系統(tǒng)來降低無人機(jī)的峰值過載。

本文旨在通過設(shè)計一種新型的L形網(wǎng)阻力傘撞網(wǎng)回收裝置，將無人機(jī)入網(wǎng)后，利用柔性網(wǎng)和阻力傘控制無人機(jī)撞網(wǎng)后的最大過載，以保護(hù)無人機(jī)及其攜帶的精密儀器和設(shè)備。

2 L形網(wǎng)阻力傘撞網(wǎng)回收系統(tǒng)設(shè)計

無人機(jī)撞網(wǎng)回收系統(tǒng)降低無人機(jī)回收過程中峰值過載的途徑一般有2種：① 依靠網(wǎng)自身的吸能緩沖特性來降低回收過程中的峰值過載。② 利用自行車剎車、渦輪阻尼器等附加阻尼裝置降低峰值過載。途徑②相較于①回收效果較好，但現(xiàn)有如渦輪阻尼器等附加裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、穩(wěn)定性差。L形網(wǎng)阻力傘撞網(wǎng)回收系統(tǒng)利用阻力傘的空氣阻力特性和阻攔網(wǎng)的吸能緩沖特性來作為撞網(wǎng)回收裝置的阻尼，在結(jié)構(gòu)和原理上對撞網(wǎng)回收系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，以求達(dá)到降低峰值過載、平穩(wěn)的回收效果。

如圖1所示，回收裝置主要由立柱3和5、鋼索2和7、回收網(wǎng)8、阻力傘1、鋼環(huán)4以及鋼索尾端的緩沖阻尼裝置6組成。其中4根立柱和鋼索組成回收系統(tǒng)的整個框架。4根立柱分別由鋼索連接和固定，回收網(wǎng)整體形狀呈L形，回收網(wǎng)與鋼索由6個鋼環(huán)連接在4根鋼索上，回收網(wǎng)通過橡筋連接在鋼環(huán)上。網(wǎng)垂直面的四角分別帶有傘包，傘包中放置有阻力傘，鋼索末端裝有橡膠緩沖墊。

在三維建模軟件中建立撞網(wǎng)回收裝置的數(shù)字化模型，如圖1所示。

圖1 撞網(wǎng)回收系統(tǒng)模型示意圖

無人機(jī)在回收時首先接觸到阻攔網(wǎng)，并迅速地和阻攔網(wǎng)系統(tǒng)共速。共速前位于L形網(wǎng)4角位置的阻力傘，被迅速拉出，為無人機(jī)和網(wǎng)組成的系統(tǒng)提供阻尼力。無人機(jī)與網(wǎng)組成的整體迅速減速，經(jīng)過2 s左右，無人機(jī)和網(wǎng)組成的整體觸碰到鋼索末端的阻尼裝置，整體速度降至0，回收過程完成。

3 無人機(jī)回收過程動力學(xué)建模

由于無人機(jī)在撞網(wǎng)后，與網(wǎng)一直保持緊密接觸，故而這個過程可以看作是完全非彈性碰撞，而且由于無人機(jī)撞網(wǎng)時間非常短暫，故而整個系統(tǒng)遵循動量守恒。設(shè)無人機(jī)速度方向為正向，則有：

=(++)

(1)

式中:為無人機(jī)的質(zhì)量;為網(wǎng)的質(zhì)量;為鋼環(huán)以及傘包的總質(zhì)量;為無人機(jī)撞網(wǎng)前速度;為撞網(wǎng)后整體的速度。

無人機(jī)在回收過程中所受到的阻尼力分為3個階段。

3.1 階段一阻尼

此階段中主要由阻攔網(wǎng)提供阻尼力。此過程為無人機(jī)撞向阻攔網(wǎng)，并迅速達(dá)到共速。阻攔網(wǎng)由于無人機(jī)的撞擊，會發(fā)生變形并產(chǎn)生阻尼力。無人機(jī)近似為剛性球體，所以可將無人機(jī)與網(wǎng)的碰撞近似成為剛性球體與柔性網(wǎng)之間的碰撞，在ANSYS/LS-DYNA中建立有限元模型，無人機(jī)簡化為剛性球體，用LINK167纜單元模擬阻攔網(wǎng)。在ANSYS/LS-DYNA中建立模型如圖2所示。

圖2 剛性球和繩網(wǎng)模型示意圖

在模型中將無人機(jī)近似為直徑為0.15 m,質(zhì)量為25 kg的剛性球，以30 m/s的速度與阻攔網(wǎng)相撞，阻攔網(wǎng)4個角固定。阻攔網(wǎng)的尺寸為長6 m，寬3 m。阻攔網(wǎng)的彈性模量為1.2×10Pa。

3.2 階段二阻尼

阻力傘的阻尼力由空氣阻力產(chǎn)生。阻力傘在開傘過程中，傘結(jié)構(gòu)會在充氣階段受到?jīng)_擊載荷。沖擊載荷主要在充氣階段產(chǎn)生。系統(tǒng)整體在撞網(wǎng)后由阻力傘提供阻尼力，而其中阻力傘的空氣阻力隨著整體速度的減小而變小，故在整個回收過程中阻力、速度、加速度都在變化。

開傘動載：

(2)

式中：為開傘速度；動載系數(shù)，此處取1.5；開傘動載縮減系數(shù)，此處取0.33；為開傘動載不均勻系數(shù)，此處取1.45。

根據(jù)牛頓第二定律可有：

(3)

式中：

=++

阻力傘在某時刻的阻力：

(4)

式中：為所選取阻力傘的阻力系數(shù);為空氣密度;為阻力傘面積;為阻力傘在時刻的速度。

結(jié)合式(3)、式(4)兩個式子可有：

(5)

回收系統(tǒng)在某時刻的速度：

+1=-d

(6)

由式(3)、式(4)、式(6)可得

(7)

由式(8)結(jié)合位移定義可得回收過程的位移：

(8)

3.3 階段三阻尼

第3階段阻尼力由阻力傘的空氣阻力和鋼索尾端的的橡膠緩沖墊提供。阻力傘的阻力隨著速度的減小而慢慢變小，系統(tǒng)接觸到末端的阻尼緩沖墊，回收系統(tǒng)的速度降至0，回收結(jié)束。橡膠緩沖墊可以為阻攔網(wǎng)系統(tǒng)提供很好地緩沖，可以讓整個系統(tǒng)實現(xiàn)“軟制動”，從而更好地保護(hù)無人機(jī)。

故此時對于系統(tǒng)有：

(9)

其中：為橡膠緩沖墊提供的阻尼力。

將式(14)代入式(10)可得：

(10)

4 數(shù)據(jù)仿真與分析

4.1 階段一仿真結(jié)果與分析

第一階段是無人機(jī)和柔性網(wǎng)進(jìn)行碰撞，在ANSYS/LS-DYNA中建有限元模型后，設(shè)置完關(guān)鍵詞后將其保存為k文件，將k文件提交至LS-DYNA manager解算器進(jìn)行仿真計算。仿真核數(shù)設(shè)置4,然后等待計算結(jié)果完成，仿真完成后，用LS-PrePost查看結(jié)果，結(jié)果中可以看到模擬的小球與網(wǎng)碰撞時各個時刻的變形，以及小球在與網(wǎng)相撞方向的過載。仿真過程中幾個不同時刻的接觸狀態(tài)以及碰撞方向上的過載如圖3、圖4所示。

圖3 不同時刻接觸狀態(tài)圖

圖4 剛性球不同時刻過載曲線

由圖4可以看到當(dāng)阻攔網(wǎng)4角為固定狀態(tài)時，剛性小球與阻攔網(wǎng)在0.72 s開始接觸，到1.63 s時過載達(dá)到最大，無人機(jī)在回收過程中的峰值過載約為6.1 g。

4.2 階段二仿真與結(jié)果分析

阻力傘充滿的時間特別短暫，一般在10～100 ms。阻力傘在共速前某時刻開傘，開傘速度為共速速度，開傘動載持續(xù)時間為30 ms。阻力傘產(chǎn)生開傘動載時，根據(jù)階段一的仿真結(jié)果，當(dāng)無人機(jī)所受到的阻力大于1 989 N時，阻攔網(wǎng)的吸能緩沖可將無人機(jī)的過載控制在6.1 g以內(nèi)。階段二對阻力傘的回收過程動力學(xué)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 無人機(jī)回收系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of UAV recovery system

無人機(jī)與回收網(wǎng)碰撞后，回收網(wǎng)整體所受的力為阻力傘的空氣阻力：

=

根據(jù)階段一撞網(wǎng)仿真結(jié)果以及階段二所建立的阻力傘動力學(xué)模型圖5在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真運(yùn)算，可得到無人機(jī)撞網(wǎng)回收整個過程的速度、位移以及過載變化結(jié)果如圖6所示。

圖6(a)是阻力傘開傘后的阻力曲線，開傘動載持續(xù)時間約為30 ms，阻力在開傘動載階段阻力維持在5 196 N以上，此階段無人機(jī)會產(chǎn)生回收過程中的最大過載，而回收網(wǎng)是一個吸能緩沖的耗散系統(tǒng)，所以根據(jù)階段一撞網(wǎng)仿真模擬所得結(jié)論，可將開傘動載期間的阻力控制在1 989 N以內(nèi)，如圖6(b)的曲線所示。圖6(a)、(b)的阻力曲線在降低到30 N后陡增到753 N時，對應(yīng)的是回收網(wǎng)系統(tǒng)碰撞到鋼索末端的橡膠緩沖墊，迅速制動時的狀態(tài)。

圖5 Simulink仿真模型示意圖

圖6 回收過程阻力過載曲線Fig.6 UAV net-recovery drag force and overload

圖6中是無人機(jī)的回收過載曲線。在回收過載曲線圖中，可以看出無人機(jī)的最大回收過載為6.1 g，產(chǎn)生于阻力傘開傘動載產(chǎn)生階段，隨后無人機(jī)的過載逐漸下降，由于此過程阻尼力由阻力傘的空氣阻力提供，而阻力傘的阻尼力又隨整體的速度降低而降低，所以整體的合外力迅速減小，過載亦迅速減小。系統(tǒng)接觸到鋼索尾端的橡膠緩沖墊，速度迅速降為0，會出現(xiàn)瞬時的過載增加。

圖7中的速度剛開始出現(xiàn)了陡降，這是由于阻力傘開傘瞬間產(chǎn)生了開傘動載，阻力迅速增加?；厥者^程中系統(tǒng)速度隨阻力傘阻尼力減小而減小，直到無人機(jī)與網(wǎng)組成的系統(tǒng)接觸到鋼索尾端的橡膠緩沖墊，對應(yīng)圖中速度的拐點，隨后速度迅速降為0，無人機(jī)位移可由速度為零時得到，整個回收行程大約為10 m。

圖7 無人機(jī)回收速度位移曲線

5 結(jié)論

本文從無人機(jī)撞網(wǎng)回收裝置阻尼力的角度、減小回收過程中的過載以及裝置成本的角度出發(fā)，對無人機(jī)撞網(wǎng)回收裝置進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計，建立了撞網(wǎng)回收裝置的三維數(shù)字化模型，并進(jìn)行動力學(xué)建模和數(shù)字化仿真。可得到結(jié)論如下：

1) 本裝置結(jié)構(gòu)簡單、易操作，能夠?qū)崿F(xiàn)快速拆裝，滿足小型固定翼無人機(jī)的回收需要。

2) 仿真以25 kg固定翼無人機(jī)為研究對象，設(shè)定以 30 m/s的速度進(jìn)行撞網(wǎng)回收，柔性網(wǎng)和系統(tǒng)使用的8個阻力面積為1.69 m阻力傘，回收過程中無人機(jī)的峰值過載為 6.1，回收距離約為10 m。能夠?qū)崿F(xiàn)快速平穩(wěn)回收。

3) 回收過載與回收距離與阻力傘的的阻力面積和數(shù)量分別成反相關(guān)和正相關(guān)。后續(xù)可針對不同重量類型的無人機(jī)調(diào)整阻力傘阻力面積和數(shù)量。結(jié)合調(diào)整阻力傘的位置關(guān)系，實現(xiàn)低過載或快速回收。