無人機起落架地形自適應系統設計

張偉哲 盧曉斐 付嘉舜 趙婧宇

摘 要：近年來隨著無人機市場的發展，多旋翼無人機以優良的操控性能和可垂直起降的方便性等優點迅速獲得了廣大消費群體的關注。但是現有旋翼無人機起落架對地形要求略為嚴苛，在特殊地形降落時，無人機往往因為地面的不平坦發生側翻等問題，嚴重時可能造成巨大的經濟損失。文章在傳統無人機起落架設計方案的基礎上，根據地形自適應場景要求，對起落架減振彈簧和自由伸縮機構提出了設計更改。并通過關鍵參數的分析，驗證了其工程可行性和地形自適應方面的改善作用。

關鍵詞：無人機；起落架；地形自適應

中圖分類號：V214 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）22-0056-03

Abstract： In recent years， with the development of the UAV market， the multi-rotor UAV has attracted the attention of the consumers for its excellent control performance and the convenience of vertical take-off and landing. However， the landing gear of the existing rotor UAV is a little strict to the terrain. When landing on the special terrain， the UAV often rollover because of the uneven ground， which may cause huge economic losses. Based on the traditional design scheme of landing gear for unmanned aerial vehicle （UAV） and according to the requirements of terrain adaptive scene， the design changes of landing gear damping spring and free telescopic mechanism are proposed in this paper. Through the analysis of the key parameters， the feasibility of the project and the improvement of terrain adaptation are verified.

Keywords： UAV； landing gear； terrain adaptation

1 概述

現階段旋翼無人機在起降過程中一般采用垂直起降的飛行方式。在旋翼無人機的起落過程中，起落架是其重要器件，對它的重量，緩沖能力，安裝方式和結構強度都有嚴格的技術要求，否則會它會對整個起降過程產生不利影響，甚至造成無人機的損傷。現階段常見的旋翼無人機起落架結構形式一般為斜傾或帶有弧度的垂直桿，并在垂直桿底部接一根與地面平行的直桿，還有則直接采用直桿或斜桿直接與地面接觸。這些結構雖然簡單，但性能較差，由于起落架沒有良好的減震裝置，在較為粗暴的降落過程中，容易造成起落架彎曲變形，產生較大的震動，使之機體側翻，設備損傷等現象。現有的旋翼無人機起落架在結構、原理與使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進一步改進。

2 起落架總體設計

起落架總體設計思路如圖1所示，支撐件（1）與上支撐件（2）之間呈平行或相交設置，下支撐件（1）與上支撐件（2）之間通過伸縮桿部件連接固定；合理的采用了胡克定律（彈力定律F=kx）作為技術支持，基于保護飛行器掛載精密儀器而設立的一款飛行器起落架，以延長儀器的使用壽命為目的。

3 地形自適應場景分析

一架旋翼無人機要在一個崎嶇不平的地面上降落，地面上有一定的突起。

操控人員控制一架旋翼無人機降落，無人機降落到一定高度時，操控人員松開電門，無人機在重力作用下垂直降落，由于地面不平整，無人機的四個圓柱型起落架必然有一個最先碰到突起的地面，這時無人機會有一個接地速度，最先接地的起落架內部的彈簧受到擠壓，內桿開始向套筒內收縮，內桿相對于擋片套筒向上滑動，擋片滑過內桿上的凸臺。最先接觸的起落架有一定收縮量時，其它起落架也相繼接觸到地面，并像第一根起落架那樣收縮。整個過程中無人機的速度不斷的減慢直至停止，而彈簧也在壓縮到最大值時由于彈性勢能大機體重力，彈簧有伸長的趨勢。由于內桿上有凸臺，擋片抵住凸臺使內桿不能向下伸出，彈簧不能伸長。無人機完成降落，靜止在地面上，各起落架桿的壓縮量會有所不同即彈簧的壓縮量有所不同，而無人機落地時的能量儲存在彈簧內部，當無人機起飛離地后進行釋放。

4 地形自適應元件設計

旋翼無人機在接地會受到很大的沖擊并產生震動，比如不平的地面狀況，會使之側翻，因而可以為起落架加上彈簧緩沖吸收裝置，減少著陸時的沖擊力，減輕地面不平對降落產生的影響。該無人機起落架有外筒、帶有凸臺的內桿、與內桿連接的彈簧及擋片等部件組成。其結構如圖所示。圖示起落架外筒頂部與無人機機身相連，內桿套在外筒內，內桿頂部通過彈簧與外筒連接在一起。外筒底部有兩個瓣膜式的并具有一定厚度的軟擋片。內桿上有若干個錐形凸臺，桿底部帶有一個可轉動的橡膠底座與地面接觸。

如圖2所示起落架外筒與無人機機身相連，內桿套在外筒內，并通過彈簧與之連接在一起。外筒底部有兩個環形花瓣式并具有一定厚度的鋼片。內桿上有若干個錐形凸臺，桿底部帶有一個可轉動的橡膠底座與地面接觸。

5 實例驗證及可行性分析

本文提出的是一種旋翼無人機起落架的設計方法，對于不同型號不同重量的旋翼無人機，其起落架的設計尺寸也會有相應的改變。本文參照經緯M-600型號六旋翼無人機的機體基本參數進行設計舉例及分析，并探究3個問題，起落架支柱是否能滿足無人機降落時的強度要求，支柱內部彈簧彈性剛度及凸臺的間隔尺寸的合理設計。

經緯M-600是深圳市大疆科技有限公司在2016年在CES上發布的全新一代6旋翼飛行平臺。其部分技術參數如表1所示。

關鍵參數分析：

為了能夠進行計算和分析，本文設定特定情景參數如下：無人機采用4根垂直起落架支柱，4根支柱按正方形均勻分布，間距為0.8m，支柱材料為碳纖維（通用型彈性模量E=1×105MPa、抗拉強度σ=1000MPa），內桿直徑D1，外筒外徑D2，外筒內徑d2。地形情況：1根起落架支柱先接觸與地面相差5cm的突起地面，其他三根支柱同時與地面接觸，旋翼無人機降落時的接地速度v=1m/s。

（1）彈簧的彈性系數K

無人機質量m=15.6kg，重力P=mg=15.6·9.8=152.88N，設2-4號支柱的壓縮量為x，則1號支柱的壓縮量近似為x+0.05，著落的整個過程忽略摩擦消耗。

由能量守恒：P（x+0.05）+1/2mv2=1/2K（x+0.05）2+3·1/2Kx2，得K=（305.76x+155.688）/（4x2+0.1x+2.5·10-3）

對于普通的硬性支柱，一根桿先著落時，該桿會受到一個很大的撞擊力，該撞擊力不僅會使無人機彈起，還會產生一個繞著無人機重心是無人機側翻的力矩。

該撞擊力：

Fd=kΔd=P（1+=152.88·（1+=576.4N

Δst=P/k k：降落地面剛度系數取100N/mm。

該撞擊力的力矩為：Md=Fd·0.8·/2=163.03N/m

而在無人機降落過程中，1支柱所受支持力比234支柱的撞擊力大ΔF=K·0.05

產生的側翻力矩為M2= K·0.05·1/2·0.8

由以上可知彈簧的彈性系數越大，側翻力矩也越大，降落時既不希望彈簧剛度太小使壓縮量過大，從而造成結構尺寸過大，也不希望彈簧彈性系數太大使無人機降落不穩定，故取一個合理的彈性系數值，該值可取K=312N/m，則彈簧壓縮量x=0.3m，此時M2=8.8N/m。

（2）內桿臺階的間距δ

當桿向內收縮，擋片會越過一個個凸臺，當擋片越過最后一個凸臺后，彈簧繼續壓縮，擋片繼續運動，但未達到下一個凸臺，這時，彈簧就會伸張，支柱會有個小的反跳。考慮到不確定性，假定彈簧伸張的長度為凸臺的間距，間距比較小，可近似認為該過程彈簧力不變。

彈簧力為：Ft1=K·（x+0.05） Ft2=K·x

由能量原理：K·（x+0.05）·δ+3·Kx·δ=P·Δh

由此可知Δh隨x變化不大，x確定時，δ越大，Δh越大。

臺階的間距太小會使制造過程困難，且凸臺強度不夠，間距過大會使反跳加大，應取一個合理的間隔，本文取δ=5mm。

（3）支柱強度校核

由經緯M-600的尺寸及上述得到的彈簧彈性系數、壓縮量，可以確定支柱的外形長度參數，彈簧原長0.45m，外筒長0.55m，內桿長0.4m。支柱在降落過程中內桿支柱受到擠壓，外筒壁受拉。

內桿受壓和外筒受拉的力的大小相同，F=K·（x+0.05）=312N/m·0.35=109.2N

細長桿臨界力的歐拉公式：F=π2EI/L2慣性矩I=πD14/64得D1≥0.00436m，取D1=1cm

內桿上有臺階，取套筒內徑d2=2.2cm，取套筒外徑D2=3cmσ=F/（π/4（D22-d22））≤[σ] 取安全系數1.5，外筒滿足強度要求。

碳纖維的密度為1.8g/cm3，預計彈簧質量加凸臺質量與單一內桿質量相同。

整個旋翼無人機起落架的質量為

m=4·（2·1/4πD12·40+1/4π（D22-d22）·55）·1.8=1746.2g=1.746.2kg

6 結束語

本文通過對典型無人機起落架地形自適應裝置的研究，提出了起落架的設計更改方案，并進行場景設計、數據分析、合理性檢驗，對彈簧彈性系數、撞擊力、側翻力矩、強度校核、起落架尺寸等方面進行計算和檢驗。最終得出此減震裝置在規定的接地速度等的范圍內，是可以在實際中使用的，并通過三維建模等方式確定了該實驗的可靠性。新型起落架有以下三點優勢：（1）在崎嶇地面可完成穩定降落；（2）對起落架結構起到減震保護作用；（3）結構簡單，質量較輕。

參考文獻：

[1]單輝祖.材料力學（第4版）[M].高等教育出版社.

[2][美]約翰·貝克托.無人機DIY[M].人民郵電出版社.

[3]崔勝民.輕松玩轉多旋翼無人機[M].化學工業出版社.