旋翼無人機安防結構創新設計

上海交通大學，上海市 閔行區 100000

隨著國內外民用無人機的應用領域不斷擴大，普及程度不斷深入，在城市上空飛行更加頻繁，與用戶及人員親密接觸的機會也越來越多，客觀上要求無人機設計制造必須做到安全、可靠。近年來，無人機產品防護結構的設計已日益受到重視。

隨著國內外民用無人機的應用領域不斷擴大，普及程度不斷加大，在城市上空飛行更加頻繁，與用戶及人員親密接觸的機會也越來越多，客觀上要求無人機設計制造必須做到安全、可靠。除機載動力裝置、操縱控制系統、電池組必須達到安全級別外，其結構設計也需要符合確保安全使用的要求給予保障。尤其是近些年來批產無人機產品防護結構的設計已日益受到重視。

已列為設計要素

民用無人機由于飛行空域及其區域的特殊性更重視對結構的防護設計。其中，包括防護無人機之間的碰撞，防護無人機與高層建筑物、高壓電塔架、高山的碰撞，防護無人機與人員的碰擦傷等。這既是對外界及人員的防護，也是對自身的防護，以避免發生意外事故，造成經濟損失和人員傷亡。

現以旋翼無人機為例，旋翼如果處在無防護裝置下，高速運轉中的旋翼很容易傷及人員，也會由于操縱不慎而碰及外物，輕者碰擦傷，重者機毀人亡。因此，如何確保旋翼無人機在運行過程中的自身安全現已成為這類無人機設計的要素。

該項防護設計要素的基本要求是結構簡單、實用、低阻、融合、低成本、輕量化。

構成自身防護罩

旋翼無人機由于能夠垂直起降，擺脫了對機場跑道的束縛，實用性好，使用方便，現在已在國內外得到廣泛使用。

旋翼無人機的防護從簡易半環式起步，進步到涵道式，再發展到防護罩式；并有分置式和合體式結構之區別。

半環式

旋翼無人機的旋翼就坐落在半環中間，設在四周的半環能起到抵擋外來物，防止傷人的作用。其特點是結構簡單、易添加、易改裝、重量輕，不影響使用性能。

涵道式

旋翼無人機的旋翼就位于涵道中央，其結構特點是無人機整體性好、強度高、氣動阻力小，外形美觀且尺寸緊湊。

防護罩式

旋翼無人機的旋翼外部設有防護罩，可抵擋外來物侵害，防止飛行中傷及人員和飛鳥。在結構上有分置式防護罩和合體式防護罩之分。

分置防護罩

圖1 無人機自身設置的各種防護罩

圖2 四旋翼無人機的整體防護罩

圖3 由四旋翼無人機機身延伸的整體防護罩

旋翼無人機的防護罩“一對一”，即每個防護罩只照管一副旋翼，其結構特點是單體工藝性佳，方便使用維護(見圖1)。如果這種防護罩對小型旋翼無人機比較適合，那么對多旋翼無人機而言，其分置式結構的分離面增加整體性變差，且結構重量也會有所增加，維護也會麻煩些。

整體防護罩

旋翼無人機的防護罩“一對多”，即一個防護罩能防護多副旋翼，其結構特點是無人機的整體性佳，強度高(見圖2)。能通過優化設計減輕結構重量，有利減阻并改善氣動性能。

圖3為旋翼無人機機身延伸的防護罩設計，其結構特點是作為無人機機身延伸的一部分即參與整機承載，又兼顧了防護功能，達到“一物兩用”。經優化設計還控制了結構重量，保持了高強度，綜合了無人機的整體性、安全性、減阻性、輕量化的特質。不僅無人機的零件數減少，工藝性好，而且維護性亦好，符合用戶對實用性的要求。

圖4為無人機的整體防護罩，其外形酷似電扇的外罩，能將整架四旋翼無人機全部包絡，并且防護罩還是上下兩面的，安全性亦更高，拆裝也很方便。

設置賽事起降網

對于民用無人機的使用，尤其是商業無人機的應用，在城市上空飛行甚至用戶把無人機間不發生碰撞事故、不碰及建筑物，不傷及人員放在首位，包括在無人機賽事、無人機晚間空中表演上均要求在技術上給予保證。

圖4 四旋翼無人機的整體防護罩

圖5 設置外場的旋翼無人機防護網

通常無人機室內外賽事地面鋪有矩陣字幕，周圍設有指定高度的防護網，防護網用尼龍絲編織而成，不僅強度高，而且韌性好，耐撞擊，使用壽命長。所有參賽無人機只能在防護網提供的空間內按科目或任務要求飛行(圖5)。其矩陣字幕是由不同樣的數碼組成，可供無人機識別，并在某行某列自行對號入席，有序垂直起/降。圖6為無人機群在設置的外場防護網內自由飛行時的狀況。其中6架金黃色的無人機執行各自任務，在半空中以不同的高度、速度、軌跡、姿態有序飛行也不會發生碰撞。

倘若認為上述僅用于觀賞無人機賽事未免有些狹隘。其實它還可以用于一些無人機的技術驗證。例如，對空中快遞的尋址，精準投遞；對無人機垂直起飛狀態及性能的考量；對無人機垂直降落精度的測定；對無人機空中懸停穩定性的觀察等。設置護網的好處是防止場內無人機飛脫操控區域，需要另外組織人力到處尋找，或避免因無人機失蹤所造成的損失；同時也方便用戶回收。同時也防止了外界干擾或因外來物侵入而影響賽事或飛行測試。

圖6 旋翼無人機群在防護網內自由飛行

圖7 四旋翼無人機的球形網防護罩

創新機精彩不斷

近年來，批產無人機產品防護結構的設計日益受到重視，出現了一些技術創新，不僅有硬式結構，也有軟式結構，還有軟硬式組合結構，反映出其自身不僅將它已列為設計要素，另外更多地考慮適應外場環境，更好地滿足用戶需要，切實把飛行安全落實到實處。而且這些技術創新不僅適用于邊遠和農林地區飛行作業，而且同樣適合城市上空飛行，并且通過航空與藝術的融合，航空與科普的融合，航空與歷史文化的融合，航空與商貿的結合 ，航空與區塊鏈的結合，把旋翼無人機的垂直起降、空中懸停、過渡巡航等實務演繹得出神入化。

圖7為四旋翼無人機的球形網防護罩，它由多面體組成，每個面分別由五邊形和六邊形桿構成(內含LED發光管)，保護著位于中央的無人機全向不受損。該球形防護網罩不僅表面積大，而且強度高、彈性強，可隨該無人機一起升空，進行各種移動、盤旋、翻滾特技，降落地面后還能夠滾轉行駛，用于單機表演，或多機編隊的節慶夜晚表演，更是精彩不斷。