民用輕小型無人機(jī)低空跌落撞擊對(duì)地面人員安全性影響

郭亞周 劉小川 白春玉 王計(jì)真 王亞鋒

摘要：為了研究民用輕小型無人機(jī)低空對(duì)地面人員可能產(chǎn)生的威脅傷害嚴(yán)重程度，以市場上占有率較高的Mavic 2無人機(jī)作為研究對(duì)象，開展了跌落撞擊地面人員安全性測試，研究了無人機(jī)在不同高度跌落撞擊下的響應(yīng)模式，基于人體頭部和頸部損傷準(zhǔn)則分析了受撞擊地面人員頭頸部的力學(xué)響應(yīng)，評(píng)估了地面人員受無人機(jī)碰撞傷害程度。研究結(jié)果表明，目前市場上常見的1kg以下的四旋翼無人機(jī)在低空高度跌落時(shí)并不會(huì)對(duì)地面人員造成不可接受的鈍性碰撞傷害；由于無人機(jī)可折疊機(jī)翼的結(jié)構(gòu)特征，無人機(jī)不僅會(huì)造成因機(jī)體碰撞而產(chǎn)生的鈍性傷害，也會(huì)造成因葉片而產(chǎn)生的割傷/刺傷等銳性傷害；機(jī)身腹部側(cè)面撞擊姿態(tài)相比于其他姿態(tài)撞擊會(huì)對(duì)地面人員造成更為嚴(yán)重的傷害。通過本項(xiàng)目的研究，可為民用輕小型無人機(jī)安全運(yùn)營提供技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：輕小型無人機(jī)；低空跌落；地面人員；安全性

中圖分類號(hào)：V232文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.12.013

民用無人機(jī)作為全球新一輪工業(yè)和革命的熱點(diǎn)，近些年得到了蓬勃發(fā)展，并且在消費(fèi)娛樂、農(nóng)林植保等領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，市場規(guī)模持續(xù)增長，市場前景廣闊。其中空機(jī)質(zhì)量低于15kg、最大起飛質(zhì)量低于25kg的輕小型無人機(jī)是民用無人機(jī)市場的主體，保有量大，用途廣泛且高度融入公共場景[1-5]。民用輕小型無人機(jī)具備飛行高度低、飛行速度快、飛行單位體積小、操作門檻相對(duì)較低等重要特點(diǎn)，在給各個(gè)行業(yè)帶來便利的同時(shí)，輕小型無人機(jī)傷人毀物等問題也頻繁發(fā)生，引發(fā)了公眾的安全擔(dān)憂，也引發(fā)了監(jiān)管部門的高度關(guān)注，逐漸成為公共安全領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)問題，也成為限制行業(yè)發(fā)展的瓶頸[6-8]。

基于對(duì)民用輕小型無人機(jī)碰撞安全現(xiàn)狀的擔(dān)憂，近幾年國內(nèi)外出臺(tái)了一系列無人機(jī)管控條例，美國聯(lián)邦航空局（FAA）出臺(tái)的關(guān)于小型無人機(jī)法規(guī)（FAR-107部）[9]，對(duì)無人機(jī)的分類、管控模式等進(jìn)行了明確的要求和規(guī)定；中國民用航空局制定的《輕小型無人機(jī)運(yùn)行規(guī)定》（試行）和《輕小型民用無人機(jī)飛行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理規(guī)定》[10-11]中同樣有相似的規(guī)定。這些法規(guī)規(guī)范了輕小型無人機(jī)的應(yīng)用場景，一定程度上從根源上避免了無人機(jī)碰撞傷害事故，維護(hù)了國家安全、公共安全和飛行安全。然而，雖然目前輕小型無人機(jī)的運(yùn)營飛行具備法規(guī)的約束和限制，但是由于輕小型無人機(jī)操作門檻低、購置/改裝相對(duì)容易等特點(diǎn)，“黑飛”“飛手操作失誤”等惡意或無意情況下無人機(jī)不可避免地對(duì)其他被撞擊物所造成的傷害同樣不可忽視，輕小型無人機(jī)被動(dòng)碰撞傷害是輕小型無人機(jī)運(yùn)營管理制度制定的出發(fā)點(diǎn)。

近幾年，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)紛紛開展了對(duì)民用輕小型無人機(jī)碰撞安全嚴(yán)重性評(píng)估的研究工作，研究場景主要分為空中碰撞和地面碰撞兩大類。其中，空中碰撞主要為輕小型無人機(jī)與空中其他飛行器之間的碰撞，2017年11月，F(xiàn)AA發(fā)布了《無人機(jī)系統(tǒng)空中碰撞嚴(yán)重性評(píng)估最終報(bào)告》[12]，該報(bào)告基于經(jīng)驗(yàn)證的數(shù)值仿真分析方法，研究了輕小型無人機(jī)對(duì)商用客機(jī)和貨用飛機(jī)的碰撞安全性，并給出了輕小型無人機(jī)碰撞安全等級(jí)評(píng)估。Shelly[13]研究了商用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)攝入無人機(jī)的安全性問題，研究結(jié)果表明，無人機(jī)的碰撞位置和碰撞姿態(tài)都會(huì)顯著影響發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的損傷嚴(yán)重程度。Lyons等[14]研究了無人機(jī)撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的損傷嚴(yán)重程度，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)攝入無人機(jī)時(shí)風(fēng)扇葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)唇口和頭錐的損壞。Meng等[13]結(jié)合試驗(yàn)和仿真分析方法綜合研究了無人機(jī)撞擊飛機(jī)風(fēng)擋的安全性碰撞響應(yīng)，研究結(jié)果表明，由于無人機(jī)硬度比動(dòng)能會(huì)對(duì)撞擊損傷產(chǎn)生更大的影響。Lu等[15]研究了5種輕小型無人機(jī)和飛機(jī)玻璃的碰撞安全性，研究結(jié)果表明，輕小型無人機(jī)的結(jié)構(gòu)、機(jī)體材料、速度、質(zhì)量等均會(huì)對(duì)撞擊結(jié)果造成影響。針對(duì)無人機(jī)地面碰撞安全方面，F(xiàn)AA于2019年發(fā)布了無人機(jī)地面嚴(yán)重性評(píng)估報(bào)告[16]，系統(tǒng)地研究和評(píng)估了無人機(jī)對(duì)地面人員的安全威脅。Choon等[17]基于頭部損傷標(biāo)準(zhǔn)和簡明傷害標(biāo)準(zhǔn)初步測量評(píng)估了無人機(jī)在人群上空安全飛行的質(zhì)量閾值。綜上所述，目前關(guān)于輕小型無人機(jī)碰撞安全的研究多集中在與空中其他飛行器碰撞安全的研究，而針對(duì)地面人員碰撞安全的研究則相對(duì)較少，且尚處于初步階段，這對(duì)輕小型無人機(jī)在城市人群上空的管控造成了較大的阻礙。除此之外，目前已經(jīng)開展的研究中多只針對(duì)無人機(jī)單一姿態(tài)跌落撞擊工況進(jìn)行研究，而對(duì)無人機(jī)變姿態(tài)工況下的研究相對(duì)較少。

正是基于這種需求，本文通過試驗(yàn)的方式，選取一款市場上典型的輕小型無人機(jī)Mavic 2作為研究對(duì)象，開展了無人機(jī)跌落撞擊地面人員頭部的碰撞安全特性研究，采用高速攝像記錄了試驗(yàn)過程中無人機(jī)的撞擊響應(yīng)模式，分析了不同跌落高度下無人機(jī)對(duì)地面人員的碰撞安全性，對(duì)比了無人機(jī)不同姿態(tài)跌落撞擊地面人員的傷害差異性，通過多種損傷準(zhǔn)則初步評(píng)估了低高度跌落下無人機(jī)對(duì)地面人員的撞擊傷害嚴(yán)重性，試驗(yàn)和評(píng)估結(jié)果為輕小型無人機(jī)相關(guān)飛行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定提供了試驗(yàn)和技術(shù)支持。

1試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)件

1.1.1無人機(jī)試驗(yàn)件

本試驗(yàn)中的無人機(jī)試驗(yàn)件采用的是民用市場上占有率相對(duì)較高的大疆Mavic 2 PRO輕小型四旋翼無人機(jī)。無人機(jī)的動(dòng)力源為一塊可拆卸的鋰電池，并且以卡扣形式固定在無人機(jī)背部，無人機(jī)整機(jī)質(zhì)量為907g，Mavic 2無人機(jī)機(jī)體尺寸為：214mm×91mm×84mm（折疊態(tài)）、322mm×242mm×84mm（展開態(tài)）。無人機(jī)主要由機(jī)臂、機(jī)身、電池、電機(jī)、槳葉、內(nèi)部電路等部件構(gòu)成，其中主要部件材料見表1。該無人機(jī)屬于輕小型無人機(jī)中質(zhì)量尺寸相對(duì)較小的一類。

1.1.2假人

本試驗(yàn)中采用的假人為50分位混合III型假人，由于人體尺寸基本呈現(xiàn)正態(tài)分布，因此50分位是指該型假人身體尺寸能夠涵蓋50%整體男性人體尺寸。試驗(yàn)過程中，假人能夠測量的物理量有頭部加速度、頭部角速度、頸部力和頸部力矩。不同傳感器測量的數(shù)據(jù)濾波方法見表2。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)主要采用自由落體跌落撞擊地面假人的方法進(jìn)行，跌落前無人機(jī)的跌落高度可調(diào)。如圖1所示，本試驗(yàn)中采用提升吊鉤掛載投放鎖，由提升鉤調(diào)整無人機(jī)跌落高度，由投放鎖上的掛持器控制夾持和釋放無人機(jī)，掛持器和無人機(jī)之間由粘貼在無人機(jī)重心位置處的投放繩連接，并通過調(diào)整掛持器和投放繩來調(diào)節(jié)無人機(jī)的姿態(tài)。試驗(yàn)過程中，由投放鎖提升至一定高度，然后通過激光測距儀測量無人機(jī)是否到達(dá)指定的目標(biāo)高度，并調(diào)整、對(duì)準(zhǔn)撞擊點(diǎn)位置，進(jìn)而釋放投放鎖，無人機(jī)自由落體跌落撞人，測量人體在受無人機(jī)跌落撞擊下的各部位響應(yīng)情況。

1.3假人各部位損傷準(zhǔn)則

本試驗(yàn)的目的是為了評(píng)估無人機(jī)跌落撞人后人體的各部位損傷情況，因此需要通過統(tǒng)一的人體損傷評(píng)估準(zhǔn)則來系統(tǒng)評(píng)估人體不同的部位的損傷大小，且不同部位的損傷準(zhǔn)則也各不相同。由于本試驗(yàn)中無人機(jī)的主要形式為跌落撞人，因此此處相比于人體的胸部、腿部，本試驗(yàn)相對(duì)更為關(guān)注人體的頭部和頸部損傷。

1.3.1頭部損傷準(zhǔn)則

頭部損傷準(zhǔn)則（HIC）[18]如式（1）所示，該準(zhǔn)則是目前世界范圍內(nèi)獲得公認(rèn)的最為常用的頭部損傷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，已經(jīng)應(yīng)用在歐洲、美國和中國等多個(gè)國家的汽車碰撞安全法規(guī)和NCAP新車的評(píng)價(jià)體系中的正撞、側(cè)撞工況等。

1.3.2頭部3ms累積加速度準(zhǔn)則

頭部3ms累積加速度準(zhǔn)則是指碰撞過程的頭部加速度曲線超過某一限值的累積時(shí)間不超過3ms。該準(zhǔn)則強(qiáng)調(diào)了超過某一加速度限值的作用時(shí)間不能太長。目前，該準(zhǔn)則配合HIC在多個(gè)法規(guī)和NCAP的正撞、側(cè)撞等工況中采用，目前的限值多數(shù)是72～80g。

1.3.3頸部Nij

Nij最早在美國國家公路交通安全局（NHTSA）的關(guān)于兒童保護(hù)的報(bào)告中提出，該準(zhǔn)則是針對(duì)碰撞事故中AIS2+以上的頸部損傷。Nij準(zhǔn)則基于試驗(yàn)研究提出的頸部軸向壓縮載荷與彎矩載荷的耐受極限，結(jié)合頸部作用力與力矩進(jìn)行評(píng)判的。Nij準(zhǔn)則的計(jì)算公式如下：

2結(jié)果分析

2.1無人機(jī)跌落撞擊響應(yīng)

圖2為典型工況（5m跌落）下無人機(jī)跌落撞擊地面人員的碰撞響應(yīng)過程，其他高度下的撞擊響應(yīng)與該工況具有較高的一致性和相似性。從圖2中可以看出，由于Mavic 2無人機(jī)具有較大的翼展，從而使得跌落過程中機(jī)臂承受了較大的彎矩，Mavic 2無人機(jī)前后機(jī)臂的結(jié)構(gòu)布局形式各不相同，其中前機(jī)臂為前后折疊式，后側(cè)機(jī)臂為旋轉(zhuǎn)折疊式，因此后側(cè)機(jī)臂在撞擊時(shí)由彎矩作用迅速產(chǎn)生機(jī)臂折疊響應(yīng)，前機(jī)臂則并未折疊。在整個(gè)撞擊過程中無人機(jī)機(jī)臂看似發(fā)生了折斷，實(shí)際上是由于機(jī)臂自身旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，無人機(jī)結(jié)構(gòu)并未由于跌落撞人而產(chǎn)生損壞，無人機(jī)在跌落試驗(yàn)后仍然能夠正常啟動(dòng)和使用。

從圖2中無人機(jī)各個(gè)部分的變形響應(yīng)中可以看出，無人機(jī)在跌落撞擊過程中不僅存在無人機(jī)自身的變形，同時(shí)還存在機(jī)臂折疊等機(jī)體部件的活動(dòng)變形影響。因此，從無人機(jī)的響應(yīng)可以看出無人機(jī)對(duì)人體可能造成的傷害中除了由于自身機(jī)體結(jié)構(gòu)撞擊而產(chǎn)生的鈍性傷害之外，無人機(jī)旋翼葉片伴隨著機(jī)臂運(yùn)動(dòng)同樣有可能對(duì)人體薄弱部位造成割傷刺傷等不可忽視的銳性傷害。

2.2無人機(jī)跌落高度

圖3為無人機(jī)在不同高度下跌落撞擊假人各部位損傷準(zhǔn)則與耐限值的比值情況。本文中采用的頭部損傷準(zhǔn)則HIC15的耐限值為700，頭部3ms加速度準(zhǔn)則的耐限值為80g，頸部Nij準(zhǔn)則的耐限值為1，頸部軸向力耐限值為4000N，頸部力矩耐限值為57N？m。

由圖3中可以看出，當(dāng)Mavic 2 PRO無人機(jī)在9m以下高度跌落撞擊時(shí)，頭部和頸部所有指標(biāo)均未超過耐限值紅線，因此無人機(jī)在這種程度的低高度運(yùn)行時(shí)相對(duì)安全，從損傷準(zhǔn)則指標(biāo)上來看并不會(huì)由于機(jī)體自身質(zhì)量撞擊而對(duì)地面人員造成不可接受的鈍性碰撞傷害。

同時(shí)可以明顯地看出，相比于頭部損傷準(zhǔn)則各項(xiàng)指標(biāo)，頸部各項(xiàng)的損傷準(zhǔn)則指標(biāo)與耐限值的比值更大，以9m工況下無人機(jī)跌落撞擊地面人員的結(jié)果分析為例，該工況下頸部力的與耐限值的比值為73.2%，頸部Nij與耐限值的比值為64%；而頭部HIC15與耐限值的比值則為14.5%，連續(xù)3ms加速度為28.5%，非連續(xù)3ms加速度為45.1%，其他工況也有相同的數(shù)據(jù)規(guī)律。從數(shù)據(jù)中可以明顯看出，輕小型無人機(jī)在跌落撞擊地面人員時(shí)，頸部受到的傷害相比于頭部受到的傷害更嚴(yán)重，最有可能率先突破耐限值。

2.3無人機(jī)跌落姿態(tài)

如圖4所示，由于無人機(jī)在實(shí)際跌落過程中并不是保持單一姿態(tài)跌落的，其故障模式具有多種，其中包括單電機(jī)失效、同側(cè)雙電機(jī)失效和對(duì)側(cè)雙電機(jī)失效等。正因?yàn)楣收夏Ｊ降亩鄻有裕瑹o人機(jī)空中翻轉(zhuǎn)時(shí)姿態(tài)的不確定性，使得無人機(jī)不同跌落姿態(tài)撞擊地面人員安全性的研究顯得更為必要。因此，為了研究不同無人機(jī)姿態(tài)對(duì)跌落撞擊地面人員傷害嚴(yán)重程度的差異性，選取了5種比較典型的無人機(jī)跌落姿態(tài)，采用控制試驗(yàn)單變量的方式，分別開展了在5m跌落高度下無人機(jī)飛機(jī)姿態(tài)跌落撞擊、機(jī)頭朝下撞擊、機(jī)腹側(cè)面朝下撞擊、后機(jī)臂撞擊、前機(jī)臂撞擊等多姿態(tài)撞擊地面人員頭部試驗(yàn)。圖5為無人機(jī)不同跌落姿態(tài)撞擊時(shí)的頭部加速度對(duì)比圖。從響應(yīng)峰值上看，5種姿態(tài)中機(jī)腹側(cè)面撞擊所造成的頭部加速度最大，飛行姿態(tài)撞擊的頭部加速度次之，隨后依次為機(jī)頭撞擊、前機(jī)臂撞擊、后機(jī)臂撞擊。

從響應(yīng)速度上看，從圖5中可以明顯看出不同姿態(tài)撞擊時(shí)的脈沖峰值響應(yīng)快慢不同，其中前后機(jī)臂撞擊所產(chǎn)生的峰值脈沖較早，而飛行姿態(tài)與機(jī)頭撞擊所產(chǎn)生的峰值脈沖時(shí)間則相對(duì)較晚，機(jī)腹側(cè)面撞擊的峰值脈沖時(shí)間則最晚，這是由于無人機(jī)不同姿態(tài)撞擊過程中行程的差異性造成了撞擊響應(yīng)時(shí)間的偏差，機(jī)腹側(cè)面撞擊時(shí)無人機(jī)跌落高度的行程最長，機(jī)頭和飛行姿態(tài)撞擊的行程次之，而前后機(jī)臂撞擊的行程則最短，這就導(dǎo)致了不同姿態(tài)撞擊下的響應(yīng)峰值時(shí)間不同；從響應(yīng)模式上看，飛行姿態(tài)撞擊、機(jī)腹側(cè)面撞擊和機(jī)頭撞擊都呈現(xiàn)較為明顯的單峰響應(yīng)模式，而前后機(jī)臂撞擊則呈現(xiàn)出雙峰，且第二個(gè)峰值與第一個(gè)峰值相距較遠(yuǎn)，這是由于前后機(jī)臂在剛與地面人員發(fā)生撞擊時(shí)，機(jī)臂不足以承受跌落能量，于是迅速發(fā)生了折斷或者折疊，從而導(dǎo)致無人機(jī)仍然有一部分能量并未消耗掉，使得無人機(jī)機(jī)身二次撞擊地面人員，從而產(chǎn)生第二個(gè)峰值。

如圖6所示，為無人機(jī)不同跌落姿態(tài)時(shí)的頸部撞擊力對(duì)比圖。從圖中可以看出無人機(jī)不同跌落姿態(tài)撞擊下的頸部力規(guī)律與不同跌落姿態(tài)撞擊下的頭部加速度規(guī)律基本相同，其中機(jī)腹側(cè)面撞擊的撞擊力最大，最大頸部力峰值為2684.32N，前機(jī)臂撞擊力最小，最小峰值為557.44N。同時(shí)從圖7中也可以明顯看出當(dāng)輕小型無人機(jī)跌落撞擊地面人員時(shí)，頸部傷害準(zhǔn)則Nij值與耐限值的比明顯要比頭部HIC15以及3ms加速度的大，從中再次印證了當(dāng)無人機(jī)低空跌落撞擊地面人員時(shí)，相比于頭部，人員頸部將會(huì)受到更為嚴(yán)重的傷害。通過對(duì)Nij值的觀察可以看出，規(guī)律與頭部加速度和頸部力相同，因此當(dāng)無人機(jī)以不同姿態(tài)撞擊地面人員時(shí)，機(jī)腹側(cè)面撞擊姿態(tài)對(duì)地面人員的傷害最為嚴(yán)重。

3結(jié)論

本文基于無人機(jī)自由跌落的試驗(yàn)方法，開展了Mavic 2 PRO無人機(jī)跌落撞擊地面人員碰撞安全性試驗(yàn)，考查了無人機(jī)跌落過程中的變形響應(yīng)模式，評(píng)估了不同跌落高度對(duì)無人機(jī)撞擊地面人員安全性的影響規(guī)律，對(duì)比分析了不同跌落姿態(tài)對(duì)地面人員的碰撞傷害差異性，得出結(jié)論如下：

（1）1kg左右輕小型無人機(jī)在9m以下的低高度跌落時(shí)并不會(huì)對(duì)地面人員造成不可接受的鈍性傷害，而應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注因旋翼葉片旋轉(zhuǎn)可能造成的銳性傷害影響。

（2）輕小型無人機(jī)在跌落撞擊地面人員時(shí)，相比于頭部受到的傷害，人員頸部將會(huì)受到相對(duì)更為嚴(yán)重的傷害，最有可能率先突破耐限值。

（3）不同姿態(tài)下無人機(jī)對(duì)地面人員的碰撞損傷嚴(yán)重性各不相同，無人機(jī)的撞擊傷害與無人機(jī)撞擊地面人員瞬間的姿態(tài)具有較強(qiáng)敏感性，無人機(jī)機(jī)腹側(cè)面撞擊姿態(tài)對(duì)地面人員的損傷最為嚴(yán)重。

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Impact of Low-Altitude Drop of Civilian Light and Small UAVs on the Safety of Ground Personnel

Guo Yazhou，Liu Xiaochuan，Bai Chunyu，Wang Jizhen，Wang Yafeng

Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Structures Impact Dynamics，Aircraft Strength Research Institute of China，Xian 710065，China

Abstract： In order to study the severity of the threat and damage that civilian light and small drones may cause to ground personnel at low altitudes， the Mavic 2 UAV which has a high market share is used as the research object. The safety test of personnel falling and hitting the ground has been carried out， and the response mode of the UAV under different height drops and impact is studied. Based on the human head and neck injury criteria， the mechanical response of the head and neck of the ground personnel was analyzed， and the degree of injury of the ground personnel by the UAV collision was evaluated. The results show that the common quadrotor UAVs below 1kg on the market will not cause unacceptable blunt collision damage to ground personnel when falling at a low altitude. Due to the structural characteristics of the UAVs foldable wings， the UAV will not only cause blunt injuries due to body collisions， but also sharp injuries such as cuts/stabs due to blades. The side impact posture on the abdomen of the fuselage will cause more serious damage to the ground personnel than other posture. The research of this project can provide technical support and data reference for the safe operation of civilian light and small drones.

Key Words： light and small UAV； low-altitude drop； ground personnel； safety