旋翼無人機方艙結構設計

(天津中翔騰航科技股份有限公司，天津300301)

0 引言

隨著旋翼無人機技術的發展，其在工業及生活中的應用越來越廣泛，比如在航拍，電力巡線，地圖測繪，災害監測等諸多民用領域取得很好的實際使用效果，并得到了用戶的普遍認可。

目前旋翼無人機由于自身特點的局限同時存在一些不足之處，如負載不能過大，巡航時間短等。這給用戶帶來了不良的使用體驗。

為克服這類問題，本文介紹一種專用于旋翼無人機的方艙，該方艙結構適用于無人值守的工作方式，艙門可以自動開啟和關閉，無人機可自主降落于方艙內部的平臺上，內部設置自動充電裝置。當旋翼無人機執行任務返回后可自動充電為再次執行任務做準備。

此方艙配置于偏遠地區進行電力巡線可以起到很好的效果。

1 功能分析

多旋翼無人機方艙采用無人值守式[1]的工作方式，其主要工作步驟均為自動化。為實現無人機自主起降，將其功能分解為：艙門自動開啟結構，旋翼無人機自動定位平臺機構[2]以及平臺升降機構[3]。主體框架為鋼結構，外圍設置太陽能電池板架，安裝太陽能電池板，利用太陽能給無人機電池和其它動作部件提供電能。因此方艙主要動力源為電能，其動力裝置主要采用電動缸作為動力裝置。執行機構采用連桿傳動方式，最終實現方艙的所有動作。

在滿足功能要求的條件下，對外殼和框架的設計盡量優化。鑒于方艙使用地點均為偏遠地區及交通不便的地方，盡量采用簡潔設計，方便其組裝運輸。

2 結構方案的選擇

在對方艙功能和使用環境條件定位后，提出以下二種方案實現預設功能。

方案1：如圖1，方艙門為向2側打開，使用電動缸做動力元件，為解決懸空問題在2側增加輔助支撐軌道。無人機的起降平臺的升降也通過置于平臺前方的電動缸推動。起降平臺上自動點各無人機結構由4根先后動作的推桿執行，無人機降落后由于自身GPS定位誤差及風力的影響會偏離中心，推桿設置在有效降落范圍處，無人機降落后傳動機構使推桿推動無人機定位在平臺中央。外形采用框架結構，安裝金屬板材。

圖1 方案1 圖2 方案2

方案2：如圖2所示，方艙門向2側打開嵌入艙體內部通過電動推桿和連桿機構實現。無人機平臺升降改為剪叉式升降機構，以減少方艙整體高度。無人機定位機構采用推桿式，傳動方式改為在平臺側邊安裝線性模組作為動力源，推桿另一端輔助滾動支撐，短推桿安裝在長推桿上做跟隨動作，在長推桿定位后短推桿動作，使無人機定位到平臺中心。

3 結構設計步驟

經分析，方案2要優于方案1，選擇方案2做進一步研究。在初步構思并實際調研考察一些相關數據后，利用單位模型軟件建立原始機構模型，反復進行模擬在SolidWorks中建立零件模型，進一步細化后制作其實體模型。初步設定此方艙的大小(長×寬×高)為2000 mm×2000 mm×1100 mm。主要模塊組件為無人機平臺，舉升機構，以及艙門開閉機構。

如圖3所示為方艙機械結構整體圖，圖4所示為帶有太陽能電池板附件結構圖。

圖3 方艙機械結構 圖4 帶有太陽能電池板附件結構圖

艙門向2側打開分三級通過電動推桿帶動連桿機構實現，電動推桿鉸接在固定板上。支架固定在支座上面2側直接支撐部分艙門。通過電路程序控制電動推桿實現方艙門的自動開啟和關閉。舉升機構采用電動缸為動力源的剪叉舉升機構，當艙門打開后舉升機構舉升平臺到方艙口處，輔助無人機的起飛與降落[4]。

圖5 自動充電結構

自動充電結構如圖5，在無人機的長推桿與無人機腳架接觸面設置導電銅塊結構，通過程序控制線性模組使長推桿和腳架接觸面產生接觸壓力，通過銅的面接觸接通充電線路，從而完成無人機的自主充電。

主箱體其它的空間放置其它相關附件及電氣元器件和儲能電池。

4 主要部件有限元分析

圖6 剪叉式升降結構

剪叉式升降結構，由于承受起降平臺和無人機及定位組件的重量，因此剪叉片成為方艙主要功能的關鍵部件，其結構形式如圖6。

電動缸作為動力源推動剪叉片，實現平臺的升降。在此過程中剪叉片為主要承載負載的元件。

采用工程分析軟件ANSYS來模擬剪叉片的受載情況，對其進行強度分析，從而確定設計是否合理，及時發現設計缺陷。

剪叉片的材料確定為Q235，其屈服強度為235 MPa，泊松比μ=0.33，彈性模量E=210 GPa。對其用工程分析軟件建模并定義材料屬性。采用Solid185單元對剪叉片進行網格劃分。按照其運動形式左端固定鉸接點為約束處，右端支撐負載，換算后負載對右端鉸接點的壓力為F=250 N，施加約束和載荷。經過求解得到應力分布圖，如圖7。

圖7 應力分布

根據結果分析可知，剪叉片最大受力為20482.5 Pa遠小于Q235的屈服強度。變形量為0.00117mm，符合要求。

5 結論

1)該產品由我公司自主構思設計研發的產品，可以實現無人機自主起降和充電，擴展了無人機使用范圍，并且實現無人值守。

2)設計出一整套運動機械結構和完整的電路模塊。包括曲柄滑塊機構，連桿機構和剪叉機構。

3)此方艙的設計能夠達到預期效果，運行穩定，結構可優化以增大空間。