民用輕小型無人機跌落測試試驗及損傷特性研究

郭亞周，劉小川，白春玉，張永杰，黃穎杰，王亞鋒

(1.中國飛機強度研究所 結構沖擊動力學航空科技重點試驗室，西安 710065；2.西北工業大學 航空學院，西安 710072)

民用無人機與消費者需求和工業需求緊密連接，在公眾消費和工業應用等各種領域內呈現爆炸式的發展，在無人機豐富人們生活、改變行業模式的同時，由于受到無人機自身的可靠性和操作人員的專業性等方面的制約，因此廠方即使對防撞算法和防撞系統的關注度很高，但對于惡意或者失誤等突發狀況的安全性問題仍然是不可避免的。無人機碰撞傷人、損物的事件時有發生，安全問題也逐漸成為公眾、市場和政府關注的焦點[1-3]。

我國在《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》[4]中以質量標準作為指標，綜合無人機的其他性能指標，將無人機規劃為微型、輕型、小型、中型和大型無人機，其中輕小型無人機主要指的是空機質量不大于15 kg，最大起飛質量不大于25 kg的無人機。據不完全統計民用輕小型無人機占民用無人機的85%以上的市場份額，同時由于輕小型無人機自身質量輕、速度快、操作門檻低等特點，也是最容易造成安全事故的無人機[5-6]。

正是基于這種民用輕小型無人機碰撞安全現狀，目前國內外都出臺了不少輕小型無人機管控條例，其中有代表性的是FAA出臺了關于小型無人機法規(第107部分)[7]，對無人機的質量、速度、最大飛行高度、飛行員操作飛行條件等進行了明確的規定；我國民用航空局制定的《輕小無人機運行規定》(試行)[8]中也有類似規定。但是這些規定中都受到現有技術基礎的制約，以至于對于無人機的碰撞安全的底限不明確，從而無法明確不同類型無人機的傷害等級和傷害水平，進而無法細化無人機適飛空域，可能會一定程度上影響無人機產業的高速健康發展。

因此國內外不少機構在近幾年結合工業方、消費者、市場和管理部門等多方需求，開展了不少關于民用輕小型無人機碰撞安全相關的研究，碰撞安全主要分為空中碰撞和地面碰撞，其中針對無人機空中碰撞研究，2017年11月FAA在其官網上發布了《無人機系統空中撞擊嚴重性評估最終報告》[9]，該報告對無人機和民航客機的碰撞場景進行了數值模擬和部分部件試驗，并且基于數值模擬結果給出了無人機對客機撞擊和損傷等級評估，結果表明等沖擊能量的情況下，無人機撞擊破壞力顯著高于鳥體；Meng等[10]基于經試驗驗證的仿真分析研究了無人機與民航飛機的碰撞響應，結果表明無人機的硬度比動能會對撞擊損傷造成更大的影響，同時發現無人機電池在撞擊過程中可能是潛在的著火源。Lu等[11]研究了五種輕小型無人機和飛機風擋玻璃的碰撞嚴重性，研究結果表明無人機的姿態、材料、類型、質量、速度等因素均會對飛機擋風玻璃碰撞損傷造成影響。針對地面碰撞，主要指無人機與地面人員或其他地面財產的碰撞，FAA于2019年完成了無人機地面碰撞性研究，并且發布了A14：無人機地面碰撞嚴重性評估報告[12]，研究通過試驗和仿真分析相結合的方式系統的研究和評估了無人機對地面人員的安全威脅。Campolettano等[13]通過開展三款無人機最大速度水平飛和10 m/s跌落撞擊地面人員試驗研究了無人機可能會對地面人員造成的風險范圍，結果表明無人機水平飛對地面人員造成的傷害要遠小于跌落造成的傷害，且傷害隨著無人機的質量增加而逐漸增大。Koh等[14]研究了不同質量無人機在不同跌落高度可能對人體頭部造成的傷害嚴重程度，基于頭部損傷標準(HIC)和簡明傷害標準(AIS)估算了無人機操作的質量閾值。國內目前已經逐漸開展了對于無人機與空中載人飛機的碰撞安全性研究，無人機與飛鳥不同，無人機一定程度是可控的，且無人機在機場附近的飛行場景較為單一，因此無人機與空中飛機的碰撞可以在一定程度上通過機場區域內的限飛，電子圍欄等一系列措施來極大程度的避免。而對于無人機對地面人員的碰撞傷害評估研究則仍然處于起步階段，無人機在城市上空、建筑周圍、人群上空飛行環境和場景較為復雜，由于對無人機因不可控因素跌落產生的最大傷害底限不明確，對無人機的管控造成了較大的阻礙，也可能出現對于無人機飛行管理一刀切的情況，因此對于無人機在飛行故障等極端不可控情況下會對地面人員或財產可能造成的傷害進行研究評估顯得刻不容緩。

本文正是基于這種目的，通過自由落體的方式開展了某兩款民用輕小型無人機的跌落測試試驗，采用高速攝像記錄了試驗過程中無人機的跌落撞擊響應和變形失效過程，分析了無人機跌落過程中的跌落撞擊載荷和破壞模式，初步的分析了不同類型、不同質量的無人機跌落產生影響的差異性，試驗和評估結果為輕小型無人機相關飛行標準和規范的制定以及輕小型無人機的安全性設計提供了建議和技術支持。

1 試 驗

1.1 試驗件

本試驗的試驗件采用的是某款民用輕小型三旋翼無人機以及某款民用輕小型四旋翼無人機。如圖1(a)所示三旋翼無人機整機質量為20.2 kg(帶電池)，無人機最大機體尺寸(不包含葉片)為：1 250 mm×1 180 mm×600 mm，該無人機電池位于無人機結構內部，其中起落架主要是一體化鋁制結構，機臂和主板都是碳纖維。如圖1(b)所示四旋翼無人機整機質量為4.69 kg(帶電池)，無人機最大機體尺寸為883 mm×886 mm×398 mm(帶葉片)，該無人機電池主要是以卡扣的形式外掛在無人機的供電器上，碳纖維夾芯材質的無人機起落架分為左右兩側，并以卡槽的形式斜插固定在機身與起落架之間的轉接頭上。

圖1 無人機試驗件

1.2 試驗方法

試驗主要通過自由落體跌落方法進行，如圖2所示，由于三旋翼無人機體型相對較大，因此需要專用的跌落夾具進行跌落試驗，無人機試驗件被固定在跌落夾具上，跌落夾具上安裝有三個用于固定無人機的電磁釋放銷，釋放銷末端的叉形銷插入無人機電機銷軸內來達到固定的目的。由于該無人機是三旋翼無人機，在機臂延長線與夾具交叉處安裝有三個吊環，采用吊繩固定，并將吊繩歸至一點，采用單點起吊的方式將試驗件固定好，由起吊裝置將試驗件提升至目標高度，并且適當調整其姿態使其對準撞擊平臺的中心區域，試驗各個系統準備完畢好后試驗件由電磁釋放裝置釋放，自由垂直跌落撞擊測力平臺，同步觸發各個測試子系統，并在試驗件完全靜止后結束該次試驗。四旋翼無人機由于體型相對較小，因此直接采用四根吊繩分別固定在旋翼臂并歸至一點的方法進行起吊和釋放。

圖2 無人機跌落測試裝置圖

試驗中用的主要設備是試驗提升釋放系統(吊車)、測力平臺、高速攝像機、數據采集設備、傳感器(加速度傳感器、載荷傳感器)等，并且試驗中用到的數據采集系統均有校準/標檢證書且在有效期內。其中測力平臺由于自身臺面大小不足以涵蓋整個三旋翼無人機，因此在三旋翼無人機跌落試驗過程中為了保證無人機跌落時不會因為機身傾斜而跌出測力平臺臺面外，因此需要加裝擴展臺面，擴展臺面通過螺栓與傳感器連接。

結合FAA的無人機地面碰撞嚴重性報告以及Campolettano等研究報告和論文中提及的無人機跌落試驗工況，本試驗無人機目標跌落速度為10 m/s，無人機目標提升高度為5 102 mm。

無人機跌落試驗測試項目主要包括跌落撞擊載荷、跌落姿態、跌落速度、無人機變形響應。撞擊載荷由傳感器測量，傳感器采樣率為10 kHz，跌落姿態、跌落速度、無人機變形響應等則由高速攝像系統測量記錄，其中高速攝像布置(俯視示意圖)，如圖3所示，其中正面高速攝像為測速和觀察用，側面高速攝像為輔助觀察用，正面高速攝像幀率設置為4 000 Hz，側面高速攝像幀率設置為2 000 Hz。

圖3 高速攝像機位置

2 試驗結果分析

2.1 無人機變形響應

2.1.1 三旋翼無人機跌落動態響應過程

通過高速攝像可以較為清晰的看出無人機跌落過程中的整個響應過程，提取出其中幾個較為典型的響應時間，如圖4(a)～圖4(j)所示分別為無人機跌落時的正視圖和側視圖。正視圖中可以較為清晰的看到無人機滾轉方向的形態變化，側視圖則可以較為清晰的看出俯仰方向和機臂的形態變化。

由圖4(a)和圖4(b)中可以看出，無人機跌落時由于投放時跌落姿態的變化，導致其由左起落架單點先觸地，且三個旋翼臂兩個在上，一個在下。由圖4(c)和圖4(d)中可以看出，無人機觸地15 ms時，起落架形態發生了較大程度的變化，而機身和機臂則變化不明顯，當無人機觸地后，由于無人機俯仰角的緣故，后側起落架率先發生屈曲變形，無人機機身部分由于慣性原因，并未有較為明顯的形態變化，整體呈現傾斜狀的嵌入在起落架的變形槽內。由于無人機跌落時滾轉角的緣故，左側起落架向內側變形，變形點受壓，右側起落架則向外側變形，變形點受拉。如圖4(e)和圖4(f)所示，無人機觸地25 ms時，起落架繼續發生變形，此時正面起落架右側已經產生了較為明顯的斷裂，近地點機臂將要觸地。如圖4(g)和圖4(h)所示，無人機觸地50 ms時，起落架已經發生了嚴重的扭曲變形，此時機身動能也有所減少，順著起落架方向發生了姿態偏轉，正面起落架右側斷裂口持續變大，即將發生斷裂，此時近地點機臂觸地并開始反彈。如圖4(i)和圖4(j)所示，無人機觸地100 ms時，正面起落架右側已經發生了完全斷裂，左側起落架發生了大面積較為嚴重的屈曲變形，無人機形態開始逐漸與起落架對應，近地點機臂開始反彈，正面右側機臂向下逐漸傾斜，無人機整體開始趨于穩態。

圖4 無人機跌落的動態響應

2.1.2 四旋翼無人機跌落動態響應過程

同樣的，針對四旋翼無人機我們提取出其中幾個典型的響應時間，如圖5(a)～圖5(j)所示分別為無人機跌落時的正視圖和側視圖。

從圖5(a)和圖5(b)可以看出，無人機跌落時發生了姿態變化，此時無人機并不是水平跌落的，由于其在空中的姿態變化，導致其由左側起落架先觸地。

從圖5(c)和圖5(d)可以明顯看出，無人機觸地15 ms時，其左側的起落架由于其本身的結構特性和強沖擊力作用，其左側起落架直接從根部被“剪斷”，而起落架的其他部分并未有明顯的損傷和破壞，右側起落架也逐漸被掰開，無人機姿態進一步發生傾斜。

如圖5(e)和圖5(f)所示，無人機在觸地25 ms時，右側起落架被從根部“掰斷”，無人機底側電池供電器接觸地面并受碰撞后產生損傷，并且由于供電器的損傷使得無人機電池開始從卡扣中脫落，除此之外，右后側的無人機機臂也由于慣性作用開始向下發生折斷。

如圖5(g)和圖5(h)所示，無人機在觸地50 ms時，無人機繼續與地面碰撞，右側電池徹底從夾板中脫出，右側起落架被掰斷后向右側水平飛出，右后側的無人機機臂徹底折斷，在機臂內部線路的拉扯作用下不足以飛出，此時左后側的無人機機臂也在慣性作用下開始與機身發生相反方向的運動，有折斷趨勢。

如圖5(i)和圖5(j)所示，無人機在觸地100 ms時，無人機開始發生了反彈，這時左后側機臂由于慣性效應，開始向上方折斷，無人機準備進入二次跌落狀態，并且跌落過程逐漸趨于穩態。

圖5 無人機跌落的動態響應

綜上所述，四旋翼無人機由于其結構布局、材料與三旋翼之間具有差異性，因此在同樣跌落速度撞擊下其破壞模式和跌落響應各不相同，四旋翼無人機的起落架在跌落過程中幾乎不起到能量吸收作用。而且電池由于外掛在供電器上，在起落架完全失效后，供電器幾乎無任何緩沖的與地面接觸，電池受沖擊后飛出，因此整體破壞情況要比三旋翼無人機嚴重的多。

2.2 無人機主要損傷分析

2.2.1 三旋翼無人機

2.2.1.1 起落架

無人機垂直正姿態跌落時，損傷最嚴重的部件就是起落架，起落架的承載和吸能特性，決定了跌落過程中無人機機體的安全性，如圖6～圖8所示，為本次試驗中無人機起落架的變形和損傷情況。

圖6 無人機整體變形損傷

圖7 左側起落架

圖8 右側起落架

由圖中可以看出，無人機起落架左側主要向內彎折，右側則是向外彎折，右側變形相比左側嚴重。左側起落架根部向上彎折，下部向內彎折，左側起落架的響應主要是屈曲變形，僅在起落架中部變形部位產生了部分破壞，但并未使得左側起落架失穩，尚有部分承載能力。

右側起落架變形和破壞均比較明顯，破壞主要集中在起落架的根部，由圖4(e)中可以看出在跌落初期起落架兩側變形基本上一致，而隨著跌落的進行，右側起落架前側根部的承載能力不足，導致其先行出現了斷裂，從而使得右側起落架開始出現失穩，整體無人機載荷開始像左下方傾斜，后續過程中右側起落架前側根部斷裂繼續增大，帶動后側根部向上翻轉，迫使其在跌落過程中發生斷裂，此時右側起落架徹底失穩，無人機機身出現大幅度傾斜，僅靠左側起落架后部連接塊支撐。

整體而言，起落架在無人機跌落過程中起到極其重要的吸能降載作用，使得本次試驗中無人機跌落后仍能夠保證其完整性。

2.2.1.2 機 臂

由圖9所示，無人機右側機臂在跌落過程中出現了損傷，損傷主要集中在機臂的下半部分，且損傷并未導致機臂的斷裂，機臂尚有部分承載能力，但機臂的損傷將使得無人機只有在更換機臂后才能夠繼續使用。

圖9 無人機機臂破壞與損傷

初步分析后發現主要有兩方面的原因：①由于無人機機臂基本處于懸臂狀態，機臂長度較長，且機臂端部的電機質量較大，使得無人機在跌落過程中會產生較大的機臂彎矩，這個是機臂斷裂的最主要原因；②由于左側起落架向內屈曲變形，從而使得起落架上部向上拱起，拱起部分對機臂造成向下運動的阻力，在跌落沖擊過程中機臂無法進行有效的緩沖，在巨大的沖擊力作用下，左側機臂由下至上開始產生斷裂，后續沖擊力減緩使得機臂并不足以完全斷裂，機臂處于半斷裂狀態。

總體而言，機臂的損傷雖然相比起落架損傷較小，但就無人機自身性能和維修費用而言，機臂的損傷顯然比起落架更不可接受，因此針對此給出兩個建議：①優化無人機機臂長度，適當改善無人機機臂材料；②適當改進無人機夾持部分的結構，可以加入應急狀態下的機臂緩沖裝置。

2.2.2 四旋翼無人機

四旋翼無人機跌落時產生主要破壞的部位有無人機起落架、機臂、無人機供電器，電池。其中尤以起落架、機臂和供電器破壞最為嚴重，完全影響了無人機的正常運行能力。

2.2.2.1 起落架

如圖10所示，兩根起落架均在根部連接塊處發生斷裂，這是由于連接塊與起落架材料不同，起落架主要采用復合夾芯材料，而機臂連接塊部分的材料則是工程塑料，材料強度要遠遠低于起落架管材料，因此起落架在跌落過程中由于兩側機臂在撞擊時受到彎矩作用，因此機臂都是從連接塊處破壞斷裂，而起落架則仍然完好的插在連接塊內。

圖10 起落架破壞情況

由以上現象可以看出，起落架在該無人機中只起到了一定的起降支撐作用，而在無人機故障跌落安全方面并未起到良好的保護和吸能作用。其中原因主要有三個方面：①無人機起落架不是整體式，因此兩側起落架無法傳遞載荷來削弱吸收撞擊能量；②無人機起落架呈現細長管狀，僅通過一側插入固定，在受到沖擊后，起落架總在承受彎矩，很容易就會被“掰斷”；③無人機通過連接塊將起落架與機身連接，連接塊與機身以螺栓進行剛性連接，且連接塊自身強度和結構不足，使得連接塊不具備緩沖能力，從而在很短暫的時間內就發生破壞。

2.2.2.2 機 臂

由于無人機在跌落時并不是處于完全水平狀態，從響應過程可以看出無人機跌落時，有整體部分前傾趨勢，因此機臂損傷主要集中在后側兩機臂。

如圖11所示損傷主要折斷在根部位置，無人機機臂在跌落過程中相當于懸臂結構，且在懸臂末端有質量集中的電機，無人機在跌落時由于機身和機臂兩者之間的慣性效應，且機臂根部連接的材料呈現硬而脆的材料特性，不足以承受住跌落時的慣性力而折斷。

圖11 機臂破壞情況

2.2.2.3 電池及其無人機供電器

四旋翼無人機破壞最嚴重的部位之一就是下側供電器，供電器是除了起落架外最先碰撞地面的機身結構，而無人機起落架又由于自身特性導致其能量吸收特性較差，幾乎在觸地的一瞬間，起落架就已經發生了折斷，因此當供電器在撞擊地面時機身仍然還有大量的動能，這些動能幾乎都由供電器直接承受。如圖12所示，可以看出供電器發生完全斷裂，斷裂部分整體翹起，內部的電路板也發生了部分損傷并且暴露在外面。這是由于無人機供電器內部沒有緩沖器件，供電器的殼體也不足以承受住巨大的沖擊力，因此產生了極為嚴重的破壞。

除此之外，從圖12中可以看出電池已經發生了一定程度的破損，電池安全受到了威脅，因此在更加嚴峻的工況下可能產生更為嚴重的破壞，電池與其他幾種質量塊的性質不同，是屬于高風險的含能結構材料，當電池充滿電時跌落后受沖擊時很有可能產生著火甚至是爆炸，威脅無人機周邊人員和財產的安全。

圖12 電池組件損傷情況

2.3 跌落撞擊載荷分析

2.3.1 三旋翼無人機

由于跌落過程中臺面面積不夠所以加裝了擴展臺面，并且擴展臺面通過螺栓與測力平臺連接，此時擴展臺面的慣性效應可能會對測力平臺測出的載荷結果造成影響，因此在試驗前在擴展臺面底部加裝了加速度傳感器，用于測量擴展臺面的臺面加速度，進而消除因臺面加速度而對撞擊載荷產生的影響。如圖13所示為測力平臺實際測量所得的撞擊載荷曲線。擴展臺面的質量為120 kg，而真實撞擊載荷應該是實測撞擊載荷與擴展臺面慣性力之間的差值。如圖13為實測撞擊載荷和真實撞擊載荷曲線對比，由圖中可以看出實測撞擊載荷和真實撞擊載荷兩者幾乎一致，只有在一些峰值位置出現了一部分微小的偏差，因此擴展臺面自身的慣性效應而對撞擊載荷造成的影響幾乎可以忽略不計。

圖13 三旋翼實測與真實跌落載荷對比圖

結合無人機跌落過程中的高速攝像和無人機跌落撞擊載荷曲線可知，在無人機觸地后的35 ms內起落架發生變形響應，并呈現雙峰式的撞擊載荷響應模式，第一個峰值出現的原因是因為在無人機觸地過程中伴隨著起落架撞擊和屈曲變形，第二個峰值出現的原因是因為起落架跌落沖擊力超過起落架屈服點的屈服極限，機身和機臂在慣性作用下使得起落架發生斷裂，起落架在硬化后降載能力下降，無人機的慣性產生了二次沖擊。因此當無人機以相對垂直正姿態跌落時，鋁合金起落架能夠起到較好的吸能作用且能最大程度的保護無人機機身不被破壞。

在無人機觸地后的35～50 ms時出現第二個較大的撞擊載荷峰值，這是由于無人機的姿態導致了其近地點機臂在此時接觸地面，機臂上的電機以一定的速度“砸”向測力平臺，使得撞擊載荷出現了較大的波峰。這就表明無人機電機在跌落過程中產生的傷害要比其他部件傷害要大，該工況下無人機電機即使在起落架吸收了一波能量的前提下撞擊地面后產生的載荷大小也幾乎與跌落初始峰值一致，因此無人機大質量部件具有不容忽視的撞擊風險。

從無人機跌落的動態響應過程中可以看出，在無人機觸地后50 ms后，無人機自身變形大部分基本上已經結束。

2.3.2 四旋翼無人機

如圖14所示為四旋翼無人機跌落撞擊載荷，無人機主要是呈現單峰式的撞擊模式，由圖中可以看出，在撞擊初始階段無人機載荷有兩個波動，主要無人機姿態并非完全水平，兩個起落架一前一后觸地斷裂時產生的載荷。

圖14 四旋翼無人機跌落載荷

八字形的無人機起落架結構形式，無人機自身跌落時幾乎與地面是處于硬性接觸，而起落架由于其自身特性不會產生變形吸能，因此無人機機體此時仍然還有大量的動能，繼續向下運動使得供電器“砸”向地面，此時無人機機身結構與地面接觸，進而在25 ms時達到載荷峰值。

從圖中可以看出，兩種無人機的跌落載荷最大值具有較大的差異性，四旋翼無人機雖然質量比三旋翼無人機質量小，但是其峰值載荷明顯大于三旋翼無人機，這表明在無人機故障跌落時起落架起到了不可忽視的能量吸收作用，三旋翼無人機在跌落前半程沒有集中質量塊和地面出現硬接觸，雖然后半程有電機撞擊地面，但是此時的能量絕大部分都已經被起落架吸收，因此觸地載荷并不大。而四旋翼在跌落過程中起落架能量吸收相對較少，使得連接機身的供電器攜帶者大部分動能直接與地面硬接觸，載荷相對較大。

3 結 論

本文通過自由跌落的試驗方法開展了兩款民用輕小型無人機的跌落撞擊試驗，分析了無人機在跌落時的動態響應過程、跌落損傷特性和撞擊載荷變化規律，對比了不同類型、不同質量無人機在10 m/s跌落速度下的損傷模式差異性，得出結論如下：

(1)無人機電機的二次撞擊載荷幾乎與無人機觸地載荷相同，因此無人機大質量部件具有不容忽視的撞擊風險。

(2)當以垂直正姿態跌落撞擊地面時，無人機起落架具有極其重要能量吸收功能，采用一體式鋁合金起落架能夠有效的通過起落架的屈曲變形來達到吸能降載的效果，嵌入式的起落架由于其結構剛度較大，吸能效果相對較差。

(3)無人機電池內嵌式相對于外部卡扣式電池更安全，外部卡扣式電池在受到強載荷沖擊時會飛離無人機機體，有可能會因為二次撞擊而導致電池產生內短路起落甚至爆炸等嚴重后果。

(4)民用輕小型無人機主要損傷集中在起落架、機臂以及底部機身上，特別是機臂在跌落過程中基本都是從根部折斷，無人機機臂根部連接結構強度可進行適當優化和加強。