無人機系統地面碰撞嚴重程度評估報告

無人機系統的快速發展和使用給地面人員的安全構成威脅。美國聯邦航空局針對失效無人機撞向地面時，對地面人員的損傷類型和嚴重程度進行了建模和仿真計算，其方法和模型值得借鑒.

2017年4月28日和11月28日，美國聯邦航空局（ FAA）分別發布了《無人機系統（簡稱UAS）地面（人員）碰撞嚴重程度評估》和《無人機系統空中碰撞風險嚴重程度評估》報告。這兩項研究由“通過卓越研究實現無人機系統安全的聯盟”（ASSURE）完成。ASSURE是FAA按照美國國會2014年指令建立的無人機系統卓越中心，于2015年5月成立，由密西西比州立大學領導。ASSURE的合作伙伴包括23家全球頂尖研究機構，以及100多家領先的工業界和政府合作伙伴。本刊相繼將兩項研究報告的主要內容及結論進行編譯、刊登，以飼讀者。

引言

無人機地面碰撞的嚴重程度評估的最終報告文件的無人機平臺的特點，根據文獻搜索超過300的出版物從汽車行業的無人機地面碰撞的嚴重程度相關，消費電池市場，玩具標準，和其他領域。文獻檢索包括來自各種行業和應用的現有標準，以及其他民事和聯邦機構目前正在使用的分析和標準方法?？臻g碎片的事故模型進行評價和推廣提出了使用無人機確定地面碰撞的嚴重程度評估和度量他們的活力。參數分析，總結數據和改性方法提供的最有意義的洞察和無人機特性等特點在地面碰撞嚴重程度相關問題。定性特征以及定量度量。數據分析開發的任務所有研究中還包括更新數據收集在早期階段的任務A4。在需要時，為當前研究范圍以外的主題確定知識差距。

文獻檢索包括對人類鈍器傷、穿透傷和撕裂傷的各種標準的評估。這些損傷類型表示的最重大的威脅到非參與公共和人員操作的中等大小無人機和小型無人機平臺。最壞的情況下，終端速度或最大巡航速度，動能的能量密度、轉子直徑是最重要的系統特性，鈍力外傷穿透和撕裂傷。

兩沖擊動能的方法提供了一種風險和基于場景的確定安全的無人機操作動能閾值方法。降落傘的緩解和面積加權的動能的方法兩個場景中的應用提出了輪廓的閾值范圍更廣的車輛重量超過人們進行飛行可能比目前的汽車設計目前。通過碰撞試驗和動力學建模，對人體頭部和軀干撞擊的有限元分析進行了初步的能量傳遞研究。碰撞試驗結果和隨后的分析有力地表明，基于RCC的閾值過于保守，因為它們不能準確地表示碰撞。彈性變形的小型無人機與高速導彈在國家靶場試驗，金屬屑接觸面積較大的動態分析方法的比較。動態建模是必要的提高無人機失效模式的評估和相關的沖擊能量，建立適當的距離外，對模型的影響程度進行分析和腳印的概率評估申請人提交的申請或認證的一部分。

鋰聚合物電池主導的中等大小無人機和小型無人機市場為這些平臺原理的能量源。雖然許多制造商說，他們根據鋰測試電池根據消費電子產品的離子電池測試方法，電池很少標明符合這些標準，許多測試方法不符合與地面碰撞沖擊能量相關的力和能量水平。需要更多的研究來解決火災和沖擊危險提出的廣泛的電池和化學電池使用中等大小無人機和小型無人機平臺。

研究內容

研究背景

任務A4即地面碰撞嚴重程度評估由阿拉巴馬大學亨茨維爾分校（UAH），勘薩斯大學（KU），密西西比州立大學（MSU）和安莉芳里德爾航空大學（ERAU）聯合執行。UAH作為本課題的主持者和收集各高校在各自領域的研究成果匯集成最終報告，提交給美國聯邦航空管理局（FAA）。

該團隊使用了新興的數據，包括微型航空器咨詢規則制定委員會（ARC）和從事對地碰撞工作的無人機科研小組成員（SARP）的簡報，以及美國聯邦航空管理局（FAA）成員建采用的自2015年9月以來的107部規則。

本報告中的結果和數據從2016年6月發布的白皮書無人機系統特性研究進展的基礎上通過2016年9月進行過更新。本報告中，模型的構建由MSU和ERAU負責完成。此外，阿拉巴馬大學亨茨維爾分校講報告進行更新，以反應的任務11的結果和一些數據，即以107部豁免的申請案例研究中任務A4收集的部分認同數據或正式數據。

本報告沒有按照聯邦航空局的指示研究處理碰撞概率。雖然死亡概率（Probability of Fatality，POF）是衡量碰撞嚴重程度的指標，但這些概率被用于定義碰撞嚴重程度而不是風險計算。

研究內容

FAA要求該研究團隊在地面碰撞嚴重程度評估項目中討論下列研究問題。

1）無人機系統地面碰撞危險程度的標準是什么（重量、動能（KE）等）？

2）無人機對地面飛機碰撞的嚴重程度是怎樣的？

3）無人機對地面財產碰撞的嚴重程度是怎樣的？

4）無人機對地面人員碰撞的嚴重程度是怎樣的？

5）對地面飛機、財產、人員構成威脅的無人機系統特性有哪些？

6）各無人機類別中對地面飛機、財產、人員造成的碰撞嚴重程度類別有哪些？具體是怎樣的？

7）如何設計無人機系統，將無人機系統在地面碰撞中的潛在損傷降到最??？

研究目標

（1）無人機系統碰撞對公共安全的影響

在無人機系統領域的技術進步有明顯增長，這些飛機的能力和需求將使得這些平臺能夠廣泛應用于各種各樣的任務。然而，這些平臺在國家空域系統（NAS）中操作的相關安全標準在飛行平臺和駕駛員認證方面并沒有跟上。由于這些無人機在商業和業余愛好者的使用方面表現出的多樣化，使得消費者的興趣大大增加。這種使用量增加導致旁觀者發生鈍傷或撕裂傷的事故相應增加。新聞媒體報道了多起因娛樂或批準電影拍攝造成人員受傷的飛行案例。

新成立的團體，例如Before YouFly，正在積極制定以社團為基礎的安全標準。Before You Fly是一個教育活動組織，由美國航空模型協會（AMA）、國際無人機系統協會（AUVSI）和美國聯邦航空局領導，致力于為操作這些平臺的愛好者和商業無人機系統用戶提供基本法規和安全操作教育工作。這項研究的大部分內容只包含基于統計的位置和人口密度模型的旁觀者安全分析研究，用于評估風險和安全。這些模型基本上已經完成構建，或者在構建用于評估飛行器在發射和再入過程中穿越人口密集中心的的空間安全模型。

此外，研究人員和記者們關注的是，與烏撞事件相似的無人機近距離接觸飛行飛機時發生的危險。地面撞擊危害和規則制定還在公眾輿論沒有引起重視，但美國聯邦航空局和國家空域系統（NAS）的用戶注意到了這個問題。為了提高公眾的接受度和公眾的安全性，以及在載人飛機和多載人飛機中保持國家空域系統的安全水平，需要根據具體行動制定無人機的最低和一致的認證要求和安全標準。未能制定針對無人機的監管框架顯然是對公共安全的威脅，無人機標準的缺失可能是由缺乏實驗數據和統計模型的不規則比較造成的。

（2）無人機系統特性支持FAA立法

該研究團隊分析研究了無人機系統的特性，主要集中在小型和微型無人機平臺。這些結果進行了定性總結，這些更小型的無人機，不是在重量和速度方面更接近載人飛行器的無人機平臺等（如“影子”、“掃描鷹”、“捕食者”和“全球鷹”），是由不同的材料制造而成，利用與載人飛機不同的結構、彈道和空氣動力學技術，沒有現成的碰撞嚴重程度潛在分析和操作性能分析的經驗技術總結可參考。

本報告重點研究了基于配置的小型無人機系統（硬殼式多旋翼、模塊化/可折疊多旋翼、飛翼式固定翼、標準式配置固定翼和單旋翼），他們的基本特性如何影響非公共和/或對象和結構的碰撞致命性損傷。本報告為大型無人機提供參考，小型無人機和較大型無人機與載人飛機特征相似，應采用類似的方法進行規范管理。文獻檢索數據分析和已經熟悉的應用場景已被用于創建一個無人機特性分類，FAA和工業部門可以使用其作為基礎，制定各類無人機的認證標準，根據認證要求和安全標準對無人機系統衍生類型制定認證標準。

報告研究的重點是定義無人機平臺在碰撞或葉面觸碰過程中將能量轉移到地面人員、財產和飛機的能力，定義無人機系統設計特性確定質量、速度、高度、材料結構等因素對碰撞嚴重性的影響。AUVSI為研究團隊成員提供訪問他們的無人機平臺數據庫的能力以支持本研究。數據庫包括來自世界各地的國家提供必要的數據來描述他們的質量、速度、大小等確定無人機的特性。這些數據被用來開始開發潛在的特性，這些特性可以通過重量、速度和操作高度來確定。

A4團隊協調與其他成員的保證團隊與不同的UAS平臺經驗和SUAS制造商獲得的來自AUVSI數據庫數據有更深的了解。A4團隊還用車輛和組件從各大學和那些捐贈3dr和DJl獲得額外的數據平臺上驗證信息在數據庫中。團隊從3dr和DJl公司接收損壞的機型、新的部件和機型以進行分析。工業部門和ASSURE合作學校的飛行器已被用來評估不同飛行器質量分布、開發用于建模和參數分析的參數化數據。

（3）確定認識上的知識差距

FAA注冊數據包括商業運營商的飛行器類型。無論是飛機注冊和無人機在線注冊登記需要不斷收獲保持一個清晰的認識，在國家空域系統（NAS）提煉A4和其他任務的研究熱點。

報告從醫學、彈道、非致命彈藥、法規文件、設計標準和科學研究領域查閱大量資料和文獻，確定了大量的數據和分析方法，以確定準確的損傷嚴重程度標準，確定與損傷程度相關的工程技術指標。在對部分文獻的調研中，各種無人機的空氣動力學和碰撞模型已經完成構建，采用基于確定閾值的方法，以評估小型損傷和潛在損傷和。在文獻調研中，在各種領域中進行了分析，明確了知識空白，更好地定義了飛行器特性，確定葉片的挫傷能量和撕裂損傷。本報告還根據文獻檢索，界定了本報告尚未解決或超出這一努力范圍的進一步的知識空白。

為了提供一個通用的技術框架，無人機系統被劃分為物理設計和結構特性，以確定他們在碰撞過程中如何轉移和保留能量。這個框架將系統分為五大類。多旋翼無人機可分為硬殼式和模塊化/可折疊式結構的配置類。同樣，固定翼無人機系統可分為飛翼配置和標準配置。單旋翼無人機，具有一個單一的主旋翼和尾槳配置或串聯的轉子結構，是最后一個配置分類。無人機地面碰撞嚴重程度評估仍然依賴于量化的風險以及撕裂、鈍性撞擊和點火源。

然而，美國五大類無人機的分類中又有一個更具描述性的綜合，不同的設計及其相關的屬性。附錄D中描述的目前飛機設計的定性討論，提供各種小型無人機的設計特性，而不同特性在碰撞和損傷程度的影響不同。本報告的重點還包括飛行器參數分析和推薦特征度量。飛機的定性分析還概述了當前減小損傷的設計理念和屬性。這種減小損傷的討論基于AUVSI數據庫調查，對企業網站的研究，并與各種飛機模型的制造商和業主討論。本報告的所有章節確定了文獻和建模所需輸入方面的知識差距，并總結在附錄E中：附錄E知識差距綜述。

嚴重程度的定義和討論簡明損傷標準

簡易創傷定級標準（AIS）是國際上公認的損傷嚴重程度分級標準。AIS開始于1970年初，目標是將車禍中受害者的受傷嚴重程度進行分組。AIS基于標準的醫療手冊和一套定義，提供了1-6分的評分。AIS和損傷嚴重度量表（ISS）之間有很大的交叉。自2008的最后更新以來，AIS標準已進行了多次修訂?；谠缙诘墓ぷ?，更多的損傷評估系統已經被開發（例如NISS、TRISS、ASCOT，ICISS等）;然而，經文獻檢索，AIS、ISS被廣泛用于協助創傷中心臨床醫師損傷嚴重程度評估。因此，AIS/ISS是損傷嚴重程度分類的首選方法。

需要重點指出的是，AIS字典提供了在車禍期間所造成創傷應急救治標準基礎上的傷害評估方法。損傷定級為急診室醫師的能力和醫學知識為標準化的依據。因此，損傷嚴重度定級可能低于一般人所期望的，因為無論損傷多么明顯，它可能很容易治療，不具備極高的致命性。表1提供了碰撞案例及其相應的AIS損傷定級的描述。基于107部豁免申請案例研究的任務11，飛行器碰撞能量可能與基于假人碰撞試驗的AIS相關。這些結果的相關性使得AIS能夠作為評估飛行器安全性的一個可行的評價指標，作為沖擊能量函數確定時考慮因素之一。

頭部撞擊和損傷度量

創傷性腦損傷（ TBI）的分類方法始于20世紀60年代。研究人員在研究碰撞時，提出了一種簡單指標，預測頭部潛在危險加速性。這個指標被稱為加德嚴重程度指數（Gadd Severity Index），是衡量頭部撞擊損傷嚴重程度的第一首選指數。加德嚴重指數方程見式（]）。該指數表明，加速度（a）在頭部的持續時間（t）是導致TBI的影響因素。加德嚴重程度的安全和不安全的區域，如圖1所示。

1000=t×a^2.5（1）

在20世紀70年代，頭部損傷標準（ HIC）被用于評估顱骨骨折和腦損傷，基于假人頭部碰撞測試的加速度隨時間變化。HIC只考慮一個標量加速度的時間歷程。而不是結合時間和加速度得多項式函數，HIC綜合了加速度隨時間變化的方程式見式（2）。

式中，t1和t2表示HIC區間的開始和結束時間。一般來說，該間隔為15或36ms，因此，用HICis和HIC36來表示這些指標。對于HIC₁₅和HIC₃₆參數估計，t1的值由HIC最大值決定。截至2000年3月，HIC₁₅一直是國家公路交通安全管理局（NHTSA）應用的頭部損傷評價標準。

然而，在過去的十年中，越來越多的學者所做的工作不斷挑戰這一概念，只需要一個隨時間變化的標量加速度是不能充分預測和診斷TBI。其他指標，例如角速度、角加速度、充氣壓力、剪切應力/應變、最大過載等。然而，由于HIC指標已被大量使用，文獻中能檢索到大量的數據集可用于研究比較。表6提供了基于各種尺寸測試假人（ATD）的HIC₁₅閾值。

為了協同A4研究團隊的工作，來自頭部碰撞仿真的HIC15和重力數據（ g-force）與基于現有文獻中的創傷性腦損傷實驗數據的AIS值相關。通過相關聯的AIS和HIC15，A4任務研究團隊將POF和AIS l-6分級相關聯，其中1是最小的輕傷，6是致命損傷。受傷造成的死亡不會自動被定級為AIS 6。被歸類為AIS 2或更大的傷害表明，受傷可能導致死亡，其原因是沒有得到治療或未及時接受治療。

AIS也與POF相關聯，在參考其他研究成果情況下，將鈍性損傷能量水平映射到POF，允許他們有一定的交叉。]級AIS相當于0%POF，6級AIS是1000致命的。然而，這只是一個定性的比較。沒有一個確定的文件表明，一定的10% POF相關，另一項研究中估計有10%的POF。

粘性指標

已有文獻報道，無論是胸壓縮程度還是速度都不能作為鈍性撞擊下胸部損傷的標準。一個更復雜的標準，被稱為粘性標準（VC），被認為是胸部損傷分析中最有前途的損傷指標，并在建模中可以進一步量化。

該標準首先是由Lau和Viano提出，用于預測評估由碰撞引起的胸部損傷嚴重程度。人類的耐受性由粘性標準響應（VC）來定義，它是由變形速度的瞬時值V（t）和身體壓縮量C（t）產生的時間函數。

該標準通過不依賴于速率的粘性損傷機制評估軟組織和肋骨損傷的風險，并已被一些汽車碰撞安全標準所采用。大量學者已經研究了身體壓縮身體壓縮量C（t）對損傷的影響，但是對變形速度的瞬時值V（t）的影響研究較少。也就是說，目前，胸部損傷對胸壁偏轉速度的靈敏度還不是很清楚?；旌息驛TD胸部模型綜合碰撞模擬試驗和V（t）敏感性分析將有助于回答這個問題。此外，還需要建立更為精確的VC值與AIS值之間的定量關系。為實現這一目標，將對碰撞參數和響應進行非線性回歸分析。

本報告的重點放在當前項目的正面碰撞上?，F有的正面碰撞安全標準的損傷判據已經在汽車工業得到了直接應用。然而，汽車工業中還沒有研究背部碰撞，需要大量工作來確定粘性判據是否適用于這種類型的沖擊。在地面碰撞情況下，無人機的背部碰撞與無人機系統的操作相關，并且特別危險，因為人員在面對這種碰撞時是不能夠及時反應并保護自己。背部碰撞的損傷機制不同，因為損傷可能以脊柱損傷為主，同時，正面碰撞的機制主要是肋骨骨折和內部器官破裂。因此，需要一個新的標準。小型無人機損傷嚴重程度定義的現有標準

現在有沒有現成的、公認的小型無人機嚴重程度分類標準，或者沒有辦法將這些損傷類別與FAA安全定義關聯。然而，地面人員損傷嚴重程度分類/定義在醫療領域已經有應用，主要應用于車禍事故損傷評估或飛行事故中的碰撞動力學評估。

AIS被分為6級：（1）輕度（minor）;（2）中度（moderate）;（3）嚴重（serious）;（4）重度（severe）;（5）極嚴重（critical）和（6）致命（unsurvivable）。美國聯邦航空局系統安全手冊中則分為5級：（1）沒有安全的影響;（2）輕度（minor）;（3）中度（major）;（4）嚴重（hazardous）;（5）致命（catastrophic）。在4.2節中，在撕裂傷的情況下，本報告認為，這兩種判據可以合理關聯。

無人機和載人飛機的安全性主要區別是，由于沒有機載飛行員或乘客，無人機事故本身不會造成人員傷亡。相反，無人機碰撞最大危險是對地面人員或飛機造成損傷。因此，使用FAA系統安全手冊中給出的“災難性”判據來定義嚴重性程度，災難性事件不應包含“系統損失”。使用安全管理手冊的災難性的定義一其中包括與載人飛機相撞，似乎并不合適。然而，這個問題是在另一個研究小組概述。

在2016年4月1日提交FAA的報告中，微型無人機ARC在允許的碰撞能量密度推薦值（即每接觸面積單位KE），在指定的飛行場景中飛行的4類無人機，避免對地面人員造成嚴重鈍傷。特別是，他們建議按“行業共識”標準確定許可碰撞能量密度，以避免對地面人員造成AIS3級或更高等級的損傷。表3給出了FAA給出的因碰撞造成的嚴重或更嚴重傷害（AIS 3級或更高級別）的容許率。

順便說一句，微型無人機ARC也承認考慮撕裂損傷的重要性，有必要了解由于旋轉葉片造成的損傷。FAA安全性定義并沒有考慮永久性殘疾，而美國國防部和其他安全標準則考慮了永久性殘疾。盡管撕裂傷不一定導致死亡，在在公開文獻中被認定為永久性殘疾。因此，永久殘疾作為一種可能性較大的損傷嚴重程度，當小型無人機在操作時接近或飛越人員上空時必須要定義其接受程度。

至于地面財產損傷嚴重性程度定義，建筑物等結構或汽車、飛機等地面車輛穿透損傷是很多文獻中損害評估/嚴重程度定義研究的重點。例如，在美國海軍航空系統司令部一份文件中有惰性碎片撞擊的力學效應研究的記錄。其中，有一個指標涉及屋頂、墻壁或窗戶穿透性破壞，但沒有涉及FAA損傷嚴重程度定義。表1和表2中美國聯邦航空局提出的損傷嚴重程度定義對無人機或載人飛機損傷或結構沒有參考價值。新107部規則規定，任何導致至少在五百美元以上的財產損失的事故都要求上交事故報告。此外，還要考慮結構損傷帶來的火災危害問題。特別是，由于機載燃料和電池在碰撞過程中很可能引發火災。燃料著火導致火災造成損害的評估方法已經制定，并在4.12節中進行了討論。

美國航空模型協會（AMA）的運行和損傷數據

從操作的角度來看，無線電控制或遙控的飛機可以與小型無人機技術相媲美，尤其是小型無人機視距內操作的情況下。遙控飛機運營商每年累積約6-8百萬飛行小時，估計在過去14年中的飛行時間為84000000h。因此，研究人員還研究了AMA的損傷和事故數據。根據AMA自行收集的遙控飛機駕駛員數據，以下是關于飛機模型使用和事故的高級陳述。

1）在調查前八年內，有三十九份文件表明，模型飛機造成的財產損失，大部分是由于模型飛機離開指定的飛行空域，撞上停在飛行現場附近的物體。

2） AMA正在追蹤1979至2013年間在美國發生的六起與飛機有關的死亡事件。只有一起造成致命傷害的事件，是由于不從事模型飛機操作的人導致的，事故發生在1979年。這架飛機，一個飛行的割草機，沒有飛的AMA成員和飛行在牛油果體育場在一個模型飛機展覽。所有其他的死亡都涉及到參與者的業余愛好。

3） AMA估計死亡率為3.57x10^-8次/飛行小時。

性能標準

地面財產建筑物（建筑物）或車輛（汽車、飛機等）損傷的嚴重性定義是損傷評估/嚴重程度定義的重點。例如，美國海軍航空系統司令部的碰撞毀傷模型報告文件就重點研究了慣性碎片撞擊的力學效應。唯一涉及到的指標是屋頂、墻壁或窗戶的穿透性。

還有一個涉及建筑物火災危險的問題。由于燃料和電池板上的撞擊，評估模型設置了可能導致火災的可能，開發了評估燃料導致火災損失的方法。

與小型無人機相關的嚴重程度定義

考慮到永久殘疾以及建筑物滲透和火災危險的相對重要性，對人員和地面財產損傷的嚴重性進行如下定義：

災難性

對非參與公眾或無人機飛行機組產生的任何死亡或永久殘疾的（300的概率，AIS 5或更高）。

危害性

對非參與公眾或無人機飛行機組產生的嚴重損傷，造成功能喪失（300的概率，AIS4或更高）。

使結構不可用的穿透或造成火災的結構性損傷。

嚴重

傷害需要住院治療（300的概率，AIS 3或更大）或意識喪失。

以有限速度穿透建筑物，使建筑物表面起火。

輕度

損傷治療門診的基礎上（300的概率，AIS 2或更大）。

結構損傷，需表面修復。

沒有安全危害

淺表性損傷（50%概率，AIS1或更大）。

無人機的設計屬性

在分析無人機各種類型平臺和重量等級基礎上，該報告指出，對無人機地面碰撞嚴重程度影響較大的三個特性是：動能、火源和旋翼部件。評估報告分析了各設計屬性的相關材料屬性、損傷風險值。載荷、電池、電機等由于密度較大，不能吸收或者較小沖擊能量。無人機地面碰撞模型中，無人機的設計屬性分類見圖2。

重要的是要注意，對地面碰撞嚴重程度的全面分析，動能必須根據沖擊能量等級和單位面積來確定。在碰撞過程中，人體損傷機制可能有：鈍力損傷、穿透傷（軟組織）和骨折。前者受沖擊動能大小的影響，后兩者受單位面積的沖擊動能或能量密度的影響。只有沖擊動能能在試驗過程中才能準確地估計。單位面積的受力是難以通過試驗來測量的。

m代表無人機設計單元的質量，而V代表無人機設計單元的速度。動能主要決定于設計單元自由落體終點速度。

其中，g代表重力引力，V代表環境空氣的密度，A代表有效截面積，C_d表示阻力系數或者無量綱阻力。

無人機上的燃料、電池等動力源都可能是發生地面碰撞后的點火源。這份報告主要集中研究電池的影響。分析了AUVSI數據庫和FAA 333條豁免條款中在美國銷售、重量小于551bs的使用電池。此外，近100%的獲豁免審批的商業無人機都使用鋰聚合物電池。如果被刺穿，暴露在空氣或水中、壓碎、過充電或維護不善，鋰聚合物電池都有可能起火。

旋轉的螺旋槳以及固定翼、旋翼多旋翼、單旋翼無人機的轉子部件，容易對飛行中的無人機附近人員造成嚴重的切割傷。雖然RPM、葉片設計、葉片剛度容易發生削減事故概率。相關文獻調查表明，這種假設并不保守，葉片意外接觸將導致一定程度的切割傷害。

碰撞嚴重程度評估方法

小型無人機與地面人員碰撞的損傷機制主要有三種類型。第一種傷害類型是鈍力創傷。由于對身體的高能沖擊導致器官受到加速和剪切，或由于受撞擊而四肢無法控制運動導致的損傷。第二種傷害類型是穿透傷。它由大數值的力作用在小范圍面積上而導致，能量密度可用單位面積上的力來表示。最后一種損傷是撕裂傷，這由螺旋槳和轉子等旋轉部件在小面積上施加大的力導致。撕裂傷嚴重程度受螺旋槳葉片邊緣銳度和葉片剛度的影響。

評價無人機安全有兩種，采用不同數據輸入和建模。

（1）基于RCC標準的損傷嚴重性評估方法

無人機碰撞地面人員的損傷嚴重性初始評估是嚴格基于RCC標準的，重點研究基于場景的碰撞動能閾值，依據暴露的人體部分以及附近或下方人員飛行無人機的高度和速度極限。然而，這些RCC閾值與通過AIS衡量的損傷嚴重程度不直接相關，與小型、剛性的金屬碎片的碰撞動力學和效應相關。表4和表5是兩種典型的閾值標準。

（2）無人機跌落測試試驗

第二種方法是任務11的一部分研究成果，107部豁免條例的案例研究部分，使用ATD HybridⅢ的男性假人撞擊測試集進行無人機跌落測試試驗，根據美國聯邦機動車輛安全標準（FMVSS）208和醫學文獻研究結果，研究基于沖擊動能的評估方法，以評價損傷程度。然后將這一結果與頭部和頸部損的閾值進行比較，以確定損傷嚴重程度等級達到AIS 3或更高。該方法有兩個明顯的優點：首先，碰撞動力學的研究可作為實際無人機撞機頭部或者由小金屬碎片導致的損傷的分析基準。其次，通過美國聯邦機動車輛安全標準研究表明，直接碰撞動能大小與損傷嚴重程度有直接相關性。而該標準完全純粹基于RCC的閾值。

無論哪種方法，沖擊速度可以很容易地通過試驗測定和CFD估算。因此，沖擊速度和良好的方法在工業領域應用較廣，也將用于小型無人機碰撞損傷評估。

研究結論

經研究，本報告得出以下結論：關鍵微小型無人機特性

A4團隊綜述了用于評估鈍力傷、穿透傷和撕裂傷的研究和技術，這是目前對非參與公共人員和操作小型無人機平臺操作人員最重要的威脅。與地面碰撞嚴重程度相關的最重要的飛行器特征有：

（1）特定飛行器的撞擊動能和撞擊方向是評價鈍力傷最重要的指標。在無人機碰撞中鈍力傷最可能造成死亡事故，由于單旋翼微小型無人直升機的葉片質量和葉片速度是最致命的沖擊威脅。在測試過程中，飛行器的沖擊動能在已知速度的前提下可以很容易地估算和測量。

（2）能量密度參數是評價飛行器設計中尖銳邊緣或小碰撞區域穿透傷的最佳指標。在測試過程中，這個參數是難以測量的。

（3）直徑是衡量轉子和螺旋槳等旋轉部件損傷嚴重程度的指標，需要對葉片保護或其他保護措施以防止撕裂傷，這是最有可能發生的傷害類型。單旋翼無人直升機構型由于較大的葉片質量和速度，對人體喉部和頭部區域構成潛在的致命威脅。旋轉部件的直徑很容易測量。

上面提到的所有指標在設計過程中都很容易估計得到。沖擊能量和轉子特性也可以在研發過程中很容易地測試和驗證。由于接觸面積和測量技術昂貴且難以重現，所以能量密度難以測量和測試。本報告中的分析表明，當對機體燃油箱和推進系統能夠被進行充分詳細CAD建模時，根據能源失效模式，基本飛行軌跡能夠準確地估計沖擊動能。該些模型可以隨著設計的修改而更新。在原型機研發和初始飛行測試過程中，沖擊動能評估，包括阻力大小的計算，是一個直接的任務，通過旋轉翼飛機、滑翔機關機后終點速度和固定翼飛機俯沖空速驗證來完成。飛行試驗可以用來驗證最壞的情況下飛行器最有可能發生的故障模式的沖擊動能。同樣，也可以驗證最大前向空速條件下的沖擊動能。

給予充分正確接觸區域評估的詳細指導，應用者可以評估關鍵部件接的區域的能量密度，正確處理并降低穿透傷的風險。最后，最容易導致撕裂傷旋轉部件直徑很容易由制造商測量，確定葉片保護或其他防護措施要求。在任務A11最終報告中，附錄C和D提供推薦的測試和分析標準，操作人員可以使用以申請豁免，遵照FAA107部規則在人群上空限制飛行。討論AIS，HIC和VC以及各種適用于地面碰撞嚴重程度的評價指標

AIS、HIC和VC指標描述了沖擊及其影響。目前，HIC和VC指標需要設計師在研發過程中進行復雜的有限元建模與仿真。在這方面的研究成果有限，已經由MSU和ERAU主要進行的，并沒有推薦的標準進行建模、仿真。UAH研發出一種方法，將沖擊動能和最大過載閾值用于頭部和頸部受傷評估，在沒有找到更精確的方法之前將作為一個標準簡單使用。此方法曾用于汽車工業碰撞試驗和人頭部損傷影響試驗。

建立比RCC更科學的微小型無人機閾值標準

在研究小型無人機多轉子和FW平臺時，RCC沖擊動能相對于各自POF過于保守，美國聯邦航空局應考慮修改閾值，更好地確定靈活、單體無人機導致的損傷嚴重程度，而不是采用RCC評估高密度、小質量碎片損傷程度。更多的模型和AIS相關性需要重新定義損傷嚴重程度和沖擊動能客之間的關系，更加廣泛地用于靈活、易碎無人機最常見的失效模式分析?；谶@種方法，制造商能夠在完全失去動力情況下使用飛行試驗驗證沖擊動能，提供頭部或頸部損傷的98%的置信度評估。

在任務A4最初研究工作中，該團隊審查和評估各種小型無人機的現有RCC沖擊動能和能量密度閾值，綜合考慮了沖擊動能和50位假人身體各部位的加權分布。這樣確定沖擊動能閾值，可以驅動工業部門推進小型無人機ARC報告中定義的分類通用識標準的發展。然而，小型無人機的跌落測試（DJl Phantom 3標準型）對ATD HybridⅢ型50位男性假人碰撞測試表明，RCC沖擊動能閾值和根據負載單元評估的損傷閾值以及國家公路交通安全管理局公布的FMVSS 208之間有很大差異。

這種與沖擊動能相關的損傷評估方法，然而，是在基于小型無人機沖擊理解的基礎上進行的研究重點，完善和驗證評估指標。A4團隊最初假設，只有600的沖擊能量作為可轉移的能量基準。任務A11分析估計，基于純垂直跌落和質量沖擊中心分析，約440～670的沖擊能量轉移到假人頭部。ERAU的研究工作顯示，有50%～80%能量轉移，沖擊速度從24ft/s下降到0.8ft/s，采用鋁合金固定翼無人機作為沖擊質量。

這與A11任務分析數據一致，隨著撞擊速度的增加，可傳遞能量的百分比下降。ERAU模型沖擊角10°與直接水平沖擊基本接近。隨著撞擊軌跡變陡，能量傳遞的百分比顯著下降。由塑料制成的固定翼小型無人機和由鋁合金和塑料制成的多旋翼無人機遵循這一規律。這些結果，采用UAH的低階模型，采用NIAR實驗數據和ERAU有限元模型分析，重點對小型無人機撞擊能量的吸收進行分析，開發設計能量吸收參數，制定評價沖擊能量吸收的推薦性標準。MSU的建模與仿真工作不包括沖擊能量傳遞分析;然而，在MSU的仿真顯示，無人機變形程度和跌落試驗基本相同。

這表明，碰撞過程中飛行器的彈性和塑性變形對碰撞物體的能量傳遞起著重要作用。MSU的仿真結果表明，沖擊速度增加，受傷風險也增加，這與其他研究一致。NIAR跌落測試有所偏離，因為MSU仿真結果表明，與跌落測試相比，AIS 3級和更高損傷可能性更高。它是可能的，頸部模型缺乏和MSU的模型約束過多導致。MSU和ERAU計劃建立復雜沖擊過程中整個頭部和頸部的模型。

這些項目可能是互補的，有助于檢查和驗證彼此工作。在這些潛在研究的實驗設計可以得知，NIAR測試是在任務A11中完成的，目的是繼續研究這些跌落試驗結果，以汽車工程和急救醫學的方法完善已經研究的損傷評估結果。

上述方法的局限性在于，不能解決單旋翼無人直升機的轉子能量和沖擊動能等問題，在小型無人機系統級別中單旋翼無人直升機完全不同于多轉旋翼無人機和固定翼無人機平臺。單旋翼無人直升機的轉子能量問題需要單獨處理，相關閾值需要進一步考慮。

3和4類無人機作業的降落傘標準

降落傘的使用對碰撞損傷有影響，可以增加3類和4類無人機性能標準中的尺寸和重量，一旦降落傘設計性能標準和操作限制建立，以確保有效地使用降落傘。

防區度量和無人機地面碰撞模型

現實的風險模型將需要更好的建模精度，以更好地對大多數沒有硬件或軟件的認證要求的無人機平臺操作進行概率分析和碰撞嚴重程度評估和最常見的失效模式。

A4任務團隊提出微小型無人機的計算防區距離和建立度量未來發生概率方法的框架?；趹T性落體彈道模型的評估指標在短期內是有用的;然而，無人機平臺通常不會分解成低于21b重、按純彈道軌跡飛行的碎片。無人機平臺通常也不能作為一個重于21b的完整系統。當無人機墜毀時，其破壞模式和空氣動力學性能將導致不同概率分布。

鋰電池地面碰撞嚴重程度

需要更廣泛的研究和測試，評估在發生地面或空中碰撞時，微小型無人機裝配的電池發生火災的隱患。鋰電池是微小型無人機常見的動力系統。這些電池有各種尺寸、種類、化學溶液和大量單元以滿足特定的能源需求。電池采用多種點火措施應對電池惡化時火災、爆炸時情況發生，在處理不當或在地面或空中碰撞損壞時容易被穿刺。而制造商聲稱電池已經按照當前消費型鋰離子電池標準進行測試，很少有微小型無人機電池貼上標準機構簽發明確符合標準的標簽。

然而，電池消費級別測試標準并不能解決地面碰撞時沖擊能量或受力大小，正確評估碰撞后火源、不同化學結構和制造方法引發火災的危害性。在干燥的環境下發生地面碰撞遭損壞時，鋰電池很容易造成火災。此外，損壞的電池與水接觸會造成更大的火災危險和發生潛在的爆炸?；馂膶Ψ课莸蓉敭a的危害性與現行屋面標準的相關性不甚清楚?；馂娘L險在FAA的一份公開出版的報告中進行了評估。FAA用于試驗的鋰電池是飛機常見的。這些高容量電池只用在微型無人機上。

知識差距

A4小組確定了二十二項知識差距，即：

（1） FAA注冊數據包括商業運營商的飛行器類型。無論是飛機注冊和無人機在線注冊登記需要不斷收集，對正在國家空域系統（NAS）中飛行的無人機保持一個清晰的認識，完善A4任務和其他任務的研究重點。

（2） UAH最初假設CR= 0.2，是基于兩個碰撞體的定性評估，但很少有定量理論基礎。CR值可以通過試驗進行估算，UAH正在研發小型無人機和人員碰撞的動力學建模，基于作為任務11的技術方法一部分的NIAR跌落試驗結果。UAH也開始進行內部資助的有限元分析模型，繼續研究能量傳遞、飛行器變形、碰撞事件抵消。

（3）電池引發火災的評估有很大的知識空白。小型無人機使用的電池的著火溫度峰值和各種電壓、電流額定值的電池工作溫度時間函數值是多少？在碰撞時，電池分解的可能性和分解的嚴重程度是什么？也就是說，在撞擊過程中，損壞的電池的自動點火過程？

（4）沒有相關的研究，沒有有關無人機電池安全運行相關標準出版，尤其是與地面碰撞嚴重程度相關的標準。因此，進一步研究和測試是，需要利用無人機電池測試校正現有標準，定義更合適地面碰撞嚴重程度條件的新標準。這將正式確認電池滿足設計要求，包括與防火相關措施。

（5）進行大量不同種類無人機鋰電池測試，提供統計和試驗評價，確定是否電池引發C類屋頂火災的危險程度。另一個缺點是，美國聯邦航空局的火災試驗采用的是載人飛機的機載電池。如此高容量電池僅用于某些小型無人機。目前無人機鋰電池電壓、容量、單元數量和化學結構相差很大。在FAA測試試驗的六年時間里，電池化學結構和制造方法發生了許多創新。

（6）開展各種現有無人機鋰電池大小、制造工藝和化學結構能更好地評估鋰電池對人員和財產的危害風險。

（7） UAH提交了一份白皮書給FAA，標題為W63-鋰聚合物電池失效模式與影響分析，評價鋰聚合物電池按照現有的鋰離子電池標準的可行性，執行額外的跌落和彈道測試。本實驗的目的是，確定是否現有標準足以保證無人機鋰聚合物電池的安全操作和使用，如同筆記本電腦和手機等消費性電子產品應用中目前鋰離子電池的適用標準一樣。

（8） RCC的固有靈活性不夠，尤其是分析大質量碰撞體損傷和死亡危害評估。任務A11的一部分，由NIAR的跌落試驗和由MSU、ERAU進行的模型構建中提出了整個一問題。為解決這些問題的一些建模，但進一步測試無人機系統沖擊和對人員碰撞比小型金屬碎片碰撞的影響研究更加必要。通過有效的有限元分析和動態建模，可以有效地解決無人機碰撞過程中沖擊能量傳遞問題，能量傳遞如何受到飛行器方向、幾何形狀和材料的影響。

（9）無人機的空氣動力學性能和失效模式的概率分布擴展情況與空間碎片等彈道模型無人機不同，需要更多的研究來更好地理解這兩個特點，見關于距離及其嚴重程度的關系。這方面的知識差距是在該白皮書多轉子物體跌落動力學研究W64部分和W65無人機地面撞擊人員和物體的概率問題研究。

（10）由于目前缺乏足夠數據，建議在尸體、豬皮和/或合成替代組織上進行測試，以更全面地了解葉片直徑對撕裂傷風險的影響。此外，雖然直徑可能是最簡單和最有影響的切割風險因素，葉片材料和鋒利程度也是影響因素，但他們的影響量化更加復雜。有人建議進行后續測試，以量化葉片材料和葉片鋒利程度對撕裂傷風險的影響，因為有一些設計參數可用于這樣的測試，例如，最小尖端/邊緣半徑要求或最大葉片剛度。KU正計劃在2016年7月提交的一份白皮書，調查葉片撞擊引起撕裂的可能性和嚴重程度，以便進一步研究轉子直徑在撕裂危險性中的作用。

（11）葉片防護標準取決于消費級無人機愛好者的級別，而不只是考慮飛行中碰撞最低重量。與包裹遞送應用相關的防護標準可能需要增加額外的標準條款，保護小孩的手不受轉子的傷害。

（12）目前，飛機故障概率計算缺乏足夠的樣本，沒法進行詳細的動力學計算以正確界定潛在著陸區。目前，損傷評估方法只針對具有有限氣動特性的慣性碎片的典型彈道系數處理碰撞動力學問題。無人機平臺可能產生顯著的氣動力和力矩，作為單獨彈性體很少失效。先前與美國聯邦航空局的對話建議，終端動能可以作為一種潛在的手段，確定不同級別的無人機安全水平。碰撞概率估計提供了確定小型無人機安全操作層面的支撐，可以用來建立基于安全水平目標的飛機材料可靠性的最低要求。這方面的知識差距正在該白皮書W64部分跌落多轉子動力學研究及后續小型無人機在操作域碰撞地面目標概率的研究提出來的。

（13）正如3.5節提出的鋰離子聚合物電池的潛在危害，缺乏支持與屋面標準比較的燃燒溫度和燃燒時間的實驗數據，還需要研究的幾個案例，研究小型無人機墜毀導致的燃料泄漏和燃料次級點火。

（14）小型無人機對汽車結構的撞擊影響目前尚未可知。基于動能和能量密度分析，小型無人機似乎可以穿透鋼化玻璃和上釉玻璃，但不能穿透金屬板。較大的無人機很可能穿透玻璃，并可能損壞外部面板。

（15）小型固定翼無人機的參數信息中，用于生成終端動能和最大起飛重量關系的質量低于用于多轉子分析的輸入數據。這一分析的質量可以提高，獲得固定翼無人機的CAD文件和/或更好的圖形（垂直平面和正面圖像）以及CFD分析使用的標準配置和飛翼平臺。A4團隊計劃，在項目的剩余研究工作中重點改進固定翼無人機模型。

（16）目前，人體頭部損傷分析研究采用的是多旋翼小型無人機。有限元分析結果表明，一定范圍的撞擊位置和速度確實增加了TBI的嚴重程度。然而，利用“精確鷹”（ Precision Hawk）固定翼無人機卻得不到同樣結果。該分析將填補中等大小無人機碰撞中人腦頭部損傷嚴重程度和相關TBI分析的知識差距。

（17）正在進行中小型無人機碰撞對人類頭部影響的研究，以及對人體頸部損傷嚴重程度指標進行詳細的分析。這些分析需要解剖學上精確的人體頸部、頭部的計算模型。生物力學分析表明，C1-C7椎體和腦干、脊髓是脖子受傷量化的關鍵。

（18）人的頭部和無人機的振動分析對于理解無人機碰撞的致命性嚴重程度是至關重要的，即無人機和頭部碰撞過程導致人的頭部和大腦在一定共振頻率范圍內的振動。這個假設是，振動對人腦的潛在傷害比初始沖擊更嚴重。

（19）改進現有的微型和中型無人機模型，包括各種系統/組件的真實材料特性。這些模型將提供無人機和人碰撞時更真實的物理行為。

（20）無人機的噪聲很大，容易引起操作人員周邊人員的注意。據報道，目前已經有大量的手和手臂受傷的案例。因此，我們計劃研究姿態的影響時，考慮人們在無人機飛行和人碰撞前阻擋或躲避時的手臂、手和身體的不同姿勢。這種傷害將集中在上肢。幾種典型場景需要進行研究。

（21）研究軀干撞擊反應的方法可以擴展到頭部/頸部復合體。頭部和頸部的損傷機制不同于軀干。特別是頭部損傷，包括顱骨骨折和腦震蕩，與鈍性撞擊引起的平移和旋轉加速度密切相關。頸部損傷主要由軸向壓縮和側向彎曲共同作用。將進行綜合模擬以建立響應和沖擊參數（無人機類型、速度、角度和沖擊位置等）之間的關系。

（22）易脆性有助于降低無人機旋翼臂或其他附屬物與人碰撞時的動能，這取決于無人機速度和旋翼臂的易脆性因子。目前，已經建立了一個由易脆性減輕損傷嚴重程度的評估流程，但還沒有通過測試驗證。如果這種損傷的損傷策略被接受，測試驗證結果對多旋翼無人機是適用的。