基于無人機新式減震裝置的設計與分析

潘長天 ，陳 娜 ，張家一 ，劉 鑫 ，王一鳴

（青島恒星科技學院，山東 青島 266100）

近年來，無人機市場規(guī)模日益增加，市場空間不斷擴大，無論是在電視節(jié)目創(chuàng)作中應用的航拍技術，還是在農業(yè)植保方面采用的無人機自主作業(yè)，或是無人機電力線塔巡查方面應用的無人機操控技術[1]。無人機作為一種新型飛行器，以體積小巧、便于操作、成本較低、便于完成各種任務而被廣泛應用于軍事和民用領域[2]。而多旋翼無人機由于具有可以垂直起降、隨時懸停[3]、穩(wěn)定性較高等優(yōu)點成為當下很受歡迎的無人機機種。但如若碰到惡劣天氣或高空氣旋等復雜狀況時，多旋翼無人機的縱橫向姿態(tài)保持和滑移控制就變得十分困難，極易出現為了避免縱橫向滑移時受地面約束而引起傾翻和垂向近地顛簸[4]，不但很考驗技術員的操作水平且操作過程中也較易出現墜機、降落不穩(wěn)等狀況，而在此過程中減震起落架是無人機唯一的保護措施。

1 無人機起落架現存問題

起落架作為無人機不可缺少的承力部件，承受著與地面撞擊時產生的靜載荷和動載荷，吸收并消耗無人機在著陸撞擊時所產生的能量，成為無人機關鍵的保護設施[5]。當下，市面上常用的起落架多無減震裝置，或采用具有一般柔性的材料進行減震[6]，只能做到硬著陸式減震，效果不佳，還有采用只在兩個支撐腿周圍加上彈簧的方式進行緩沖的減震裝置，但還是會存在震動的情況發(fā)生，比如降落地況復雜，或碰到地面凹凸不平的情況，可能會導致兩個支撐腿最底部傾斜有一定的高度差，在這種情況下，由于無人機重心大多在機身下部的精密器件或拍攝設備上，因此極易出現翻機現象，使得相機、器件等出現不必要的損傷，為此，就需要一種安全穩(wěn)定的新式減震支架[7]。

2 無人機減震裝置結構設計

本項目無人機的落地減震裝置，由無人機機身和兩個緩沖臂組成，所述無人機機身底部兩端均有可移動開口，用于無人機平穩(wěn)落地減少震動的兩個所述緩沖臂分布在無人機機身底部兩端，緩沖臂內有緩沖開口，且緩沖口內滑動插接口有連接柱，所述連接柱兩端固定有與無人機機身底部固定的安裝塊，且緩沖臂外側固定有與連接柱相抵的減震件，此緩沖臂底部固定有穩(wěn)定件，且頂部安裝有用于相機防護的防護件，如圖1所示[8]。

圖1 無人機減震裝置示意圖

穩(wěn)定件包括固定在緩沖臂底部的連接桿和固定在緩沖臂底端外側的支撐板，連接桿兩端均通過鉸接件固定有接觸桿，而支撐板內固定有弧形桿，且弧形桿兩端均滑動套接有與兩個接觸桿固定的弧形套，所述弧形套外端固定有抵板，且弧形桿外側套有與抵板和支撐板接觸的擠壓彈簧，穩(wěn)定件起到一個穩(wěn)定效果，在凹凸地面上通過接觸桿的傾斜調節(jié)，從而使得無人機降落更加平穩(wěn)。

防護件包括滑動插接口與兩個移動口內的移動塊和與移動塊固定的推送板，推送板外側通過轉軸與緩沖臂頂端轉動連接，且另一側固定有緩沖氣墊，在無人機降落時，通過擠壓傾斜的緩沖臂，使得兩個推送板向內移動，從而能夠對推送板中間的相機或精密元件起到擠壓防護作用，避免元件受到損壞。對于裝置的推動板，采用弧形面結構，弧形面結構能夠使推動板的推進更加穩(wěn)定，對接觸桿外側采用橡膠防護套包裹，延長使用壽命且便于更換。

3 無人機減震裝置工作原理

如圖2所示，無人機減震裝置，包括無人機機身和兩個緩沖臂1，無人機機身底部兩端均開有移動口2，用于無人機平穩(wěn)落地減少震動的兩個緩沖臂1分布在無人機機身底部兩端，緩沖臂1內開有緩沖口，且緩沖口內滑動插接口有連接柱，連接柱兩端固定有與無人機機身底部固定的安裝塊3，且緩沖臂1外側固定有與連接柱相抵的減震件，緩沖臂1底部固定有穩(wěn)定件，且頂部安裝有用于相機防護用的防護件4。

圖2 減震裝置緩沖臂與機身細節(jié)展示圖

如圖3所示，減震件包括安插于緩沖口5內與連接柱6相抵的推動板7，推動板7兩端底部固定有滑桿8，滑桿8底部滑動套接有與緩沖臂外側固定的連接塊，且滑桿8外側套有與連接塊固定的緩沖彈簧9，通過減震件使得緩沖臂在受到沖擊角度發(fā)生改變時，起到一個抵觸作用，進行一個緩沖，其中，為了使推動板7的作用更加穩(wěn)定，將推動板7與連接柱6接觸端為弧形面結構[9]。

圖3 減震裝置彈簧推動板設計細節(jié)圖

為了方便緩沖彈簧9對推動板7的推動，緩沖彈簧9靠近推動板7一端固定有與滑桿8滑動連接的推塊10。

如圖4所示，防護件包括滑動插接口與兩個移動口內的移動塊11和與移動塊11固定的推送板12，推送板12外側通過轉軸與緩沖臂頂端轉動連接，且另一側固定有緩沖氣墊13。

圖4 減震裝置連接桿和緩沖臂設計細節(jié)圖

當無人機降落在斜面時對其進行減震的原理：在無人機降落時，緩沖臂底部會先與地面接觸，此時無人機因沒有向上的動力，因此飛機整體的重力都作用于兩個緩沖臂上，會帶動緩沖臂傾斜，使整個無人機本體重心降低，使其更加穩(wěn)定，當停放在斜面上時，此時兩個緩沖臂會因為角度調節(jié)的差異，使得無人機本體更趨向于水平，更加平穩(wěn)，而現有的無人機降落后，都是與斜面水平，存在一定傾倒概率。

在無人機降落在凹凸不平地面時對其進行減震的原理：當無人機降落在凹凸不平的地面上時，此時無人機緩沖臂底部對應的兩個接觸桿14會與地面接觸，當地面有凸起時，接觸桿14對對應的緩沖臂進行翻起，從而使得無人機本體趨向水平，更加穩(wěn)定。

圖4中穩(wěn)定件包括固定在緩沖臂底部的連接桿15和固定在緩沖臂底端外側的支撐板，連接桿15兩端均通過鉸接件固定有接觸桿14，支撐板內固定有弧形桿，且弧形桿兩端均滑動套接有與兩個接觸桿14固定的弧形套16，所述弧形套16外端固定有抵板17，且弧形桿外側套有與抵板和支撐板接觸的擠壓彈簧。為了使接觸桿14受磨損后方便修護，在外側套有橡膠防護套。

在無人機降落時，通過防護件4內的推送板12向內移動，從而推動兩個緩沖氣墊13與相機等設備進行擠壓防護，使得在無人機出現震動時，能夠對設備起到一個防護效果，避免出現損壞。

4 無人機減震裝置實現功能

4.1 緩沖作用

本項目無人機減震裝置設置兩個緩沖臂，且緩沖臂內開有緩沖口，緩沖口內滑動插接口有連接柱，連接柱兩端固定有與無人機機身底部固定的安裝塊，且緩沖臂外側固定有與連接柱相抵的減震件，緩沖臂底部固定有穩(wěn)定件，且頂部安裝有用于相機防護用的防護件。

4.2 穩(wěn)定作用

本項目無人機減震裝置的穩(wěn)定件包括固定在緩沖臂底部的連接桿和固定在緩沖臂底端外側的支撐板，該連接桿兩端均通過鉸接件固定有接觸桿，支撐板內固定有弧形桿，且弧形桿兩端均滑動套接有與兩個接觸桿固定的弧形套，所述的弧形套外端固定有抵板，且弧形桿外側套有與抵板和支撐板接觸的擠壓彈簧，穩(wěn)定件起到一個穩(wěn)定效果，當無人機在凹凸地面上降落時，能夠通過接觸桿的傾斜調節(jié)，使得無人機降落得更加平穩(wěn)。

4.3 減震作用

本項目無人機減震裝置的減震件包括安插于緩沖口內與連接柱相抵的推動板，該推動板兩端底部固定有滑桿，所述滑桿底部滑動套接有與緩沖臂外側固定的連接塊，且滑桿外側套有與連接塊固定的緩沖彈簧，通過減震件內的緩沖彈簧，對緩沖減震板進行角度的調節(jié)，從而實現減震效果。

4.4 保護作用

本項目無人機減震裝置的防護件包括滑動插接口與兩個移動口內的移動塊和與移動塊固定的推送板，所述推送板外側通過轉軸與緩沖臂頂端轉動連接，且另一側固定有緩沖氣墊，在無人機降落時，通過擠壓傾斜的緩沖臂，使得兩個推送板向內移動，從而對中間的相機以及電子元件進行擠壓防護，避免受到損壞。

4.5 輔助作用

本項目無人機減震裝置的推動板與連接柱接觸端為弧形面結構，弧形面結構的設計使得對推動板的推進更加穩(wěn)定；緩沖彈簧靠近推動桿一端固定有與滑桿滑動連接的推塊，提高對推桿的推進效果；接觸桿外側套有橡膠防護套，使得長期使用出現磨損后便于更換。

5 市場前景

隨著無人機產業(yè)鏈的逐漸成熟、硬件成本不斷下降以及市場價格的降低，無人機市場關注度持續(xù)攀升，消費類無人機的客戶群體從小眾拓展至大眾，客戶規(guī)模呈現指數級增長。

消費類無人機、商用無人機和政府無人機是拉動無人機行業(yè)增長的三大類。近年來，受益于行業(yè)發(fā)展及國家政策的大力支持，中國民用無人機取得了高速發(fā)展，逐漸成為全球無人機行業(yè)重要板塊之一。數據顯示，我國民用無人機市場規(guī)模由2017年的79億元增至2020年的361億元，年均復合增長率為65.9%，預計2022年我國民用無人機市場規(guī)模將達到453億元[10]。

近幾年，受新冠肺炎疫情的影響，無人機除了用于電視臺航拍、農業(yè)植保作業(yè)、電力巡查等領域，一種新興的無接觸物流配送服務成為現下主要的配送方式。無人配送除了避免接觸以外，對于企業(yè)來說可以提高效率、降低成本，發(fā)展前景廣闊。目前，無人配送物流設備主要為無人機、自動駕駛汽車、物流機器人等。其中，無人機具有智能控制方便、信息傳輸準確、運行距離較長、用電成本較低等特點，是物流配送企業(yè)無人配送的主要設備，故無人機市場不斷擴大，需求量居高不下。而本產品既能起到保護無人機的作用，還能延長無人機的使用壽命，且成本低安裝方便，故市場前景良好。