四旋翼植保無人機(jī)墜落與地面碰撞的模擬實(shí)驗(yàn)*

張 偉， 王 玲， 張 浩， 馬劉正， 袁志華

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

0 引 言

無人機(jī)(“UAV”)是無人飛行器的統(tǒng)稱，是由遙控或者計(jì)算機(jī)自主操作的不載人飛行器。四旋翼無人機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)以往都是憑經(jīng)驗(yàn)和估算，使得機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致農(nóng)藥噴灑效率不高。對(duì)無人機(jī)進(jìn)行模擬仿真，即模擬其結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)建立模型，實(shí)驗(yàn)求解和分析最終結(jié)果的目的。通過建立模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并利用所設(shè)計(jì)的模型對(duì)實(shí)際試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的過程，以理論實(shí)驗(yàn)結(jié)果反推實(shí)際實(shí)驗(yàn)，能夠較為簡(jiǎn)便、高效地達(dá)到研究的目標(biāo)。

筆者應(yīng)用ANSYS Workbench仿真軟件模擬植保無人機(jī)的基本情況并進(jìn)行力學(xué)分析，進(jìn)而分析無人機(jī)飛行過程中因故障墜地碰撞試驗(yàn)對(duì)機(jī)體的影響。通過使用有限元軟件ANSYS Workbench分析實(shí)現(xiàn)建模與計(jì)算的自動(dòng)化、智能化和便利性，基于SolidWorks建模并導(dǎo)入Workbench進(jìn)行有限元分析，通過對(duì)有限元模型的分析與對(duì)比，得出結(jié)論，為四旋翼無人機(jī)的生產(chǎn)和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 四旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

四旋翼無人機(jī)有兩種組裝模式，飛行正方向位于兩翼臂之間的是X型模式(如圖1所示)，還有十字模式的安裝方式(如圖2所示),一般來說，X模式的使用更加廣泛。X字模式的安裝方法是將四個(gè)電機(jī)按照?qǐng)D中所示對(duì)角的方式安裝到機(jī)架上，并且要保證在同一對(duì)角線上的電機(jī)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致，而相鄰的電機(jī)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。例如，如果將1號(hào)電機(jī)和3號(hào)電機(jī)看成是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，那么2號(hào)電機(jī)和4號(hào)電機(jī)必須順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，目的是克服反扭矩，確保無人機(jī)穩(wěn)定飛行。

圖1 X型四旋翼模型圖 圖2 十字型四旋翼模型

四旋翼無人機(jī)擁有對(duì)稱分布的X型機(jī)翼(見圖3所示)，控制器控制飛行狀態(tài)，遙控器控制飛行模式，電子調(diào)速器、馬達(dá)和螺旋槳提供飛行動(dòng)力，電池提供電能。中間的匣子里安裝著GPS、感應(yīng)器、加速度計(jì)、陀螺儀和紅外線裝置等。機(jī)翼不停的運(yùn)動(dòng)提供向上升力，轉(zhuǎn)速的大小改變會(huì)直接影響升力的大小，從而影響改變四旋翼飛行器的位置和狀態(tài)。四旋翼無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)起飛爬升、空中懸停、和下落降低，從而形成旋翼運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的向上升力與重力的關(guān)系[1-3]。

圖3 四旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu) 圖4 顯式動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)

2 不同高度下無人機(jī)碰撞地面的模擬與分析

2.1 無人機(jī)墜落分析原因

已知所選用試驗(yàn)的植保無人機(jī)的日常工作時(shí)的飛行高度是2 m左右。四旋翼無人機(jī)飛行時(shí)會(huì)因各種故障而墜落，本次實(shí)驗(yàn)通過分析在不同高度下，無人機(jī)自由落體墜地時(shí)的撞擊的應(yīng)力大小比對(duì)，從而確定飛行器的安全飛行高度。已知無人機(jī)的適用飛行高度是2 m，因此設(shè)置1 m、2 m、3 m、4 m四種不同的高度，模擬飛行器從這四種不同高度墜機(jī)情況。

2.2 1 m處落地時(shí)四旋翼無人機(jī)的顯示動(dòng)力學(xué)分析

(1) 創(chuàng)建顯式動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)

如圖4所示，創(chuàng)建四旋翼無人機(jī)的顯示動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)。

(2) 設(shè)置材料參數(shù)

雙擊Engineering Data選項(xiàng)，進(jìn)入材料參數(shù)設(shè)置界面，在該模塊下可自行輸入密度、楊氏模量、泊松比等數(shù)值(注：Structural Steel是默認(rèn)材料)。一般采用默認(rèn)材料參數(shù)即可，若需要材料選擇，可自主選擇。

雙擊結(jié)構(gòu)樹選項(xiàng)中的Geometry，出現(xiàn)無人機(jī)三維模型的零部件，點(diǎn)擊零部件，出現(xiàn)下拉菜單，在菜單中選擇材料名稱，添加材料后，即可進(jìn)行下面操作。

(3) 網(wǎng)格劃分

點(diǎn)擊結(jié)構(gòu)樹中的Mesh選項(xiàng)，選擇Insert，彈出控制網(wǎng)格的分選項(xiàng)，設(shè)置網(wǎng)格形式(Method)和單元的大小(Sizing)。

(4) 設(shè)置約束條件

選擇載荷類型，由能量守恒方程公式(1)給出：

(1)

式中：h為四旋翼無人機(jī)距地高度；g為重力加速度。可以得出落地時(shí)飛行器的速度。

選擇Mechanical結(jié)構(gòu)樹中的Explicit Dynamics，鼠標(biāo)右鍵單擊選取Insert，此時(shí)出現(xiàn)Environment工具欄，彈出各種載荷與約束。選擇“Velocity”，再選擇確定的方向，給無人機(jī)施加一個(gè)垂直指向地面的數(shù)值為4.4 m/s的初速度(如圖5所示)，設(shè)置分析時(shí)間為0.1 s[4-5]。如圖6所示。

圖5 施加速度圖 圖6 分析時(shí)間圖

選擇“Fixed Support”,將約束施加在混凝土板上。如圖7所示。

圖7 施加固定約束的模型圖

(5) 求解并分析結(jié)果

求解在結(jié)構(gòu)樹中的Solution下進(jìn)行。

在Solution中添加輸出結(jié)果，一般選擇Total Deformation(總變形)、Equivalent Elastic Strain(等效彈性應(yīng)變)、Equivalent Stress(等效應(yīng)力)。

點(diǎn)擊工具欄中的Solve選項(xiàng)或在結(jié)構(gòu)樹中選擇Solution點(diǎn)擊Solve選項(xiàng)即可進(jìn)行求解。

在顯式動(dòng)力學(xué)分析中，可得無人機(jī)的等效應(yīng)力圖(如圖6所示)。此時(shí)無人機(jī)最大應(yīng)力在機(jī)架支撐部分，約為31.418 MPa。

同理，無人機(jī)在2 m、3 m、4 m處落地撞擊地面時(shí)，求解過程相同，將速度大小分別改成6.3 m/s、7.7 m/s、8.9 m/s即可。此時(shí)無人機(jī)最大應(yīng)力在機(jī)架支撐部分，應(yīng)力大小分別約為50.273 MPa、75.42 MPa、94.284 MPa。如圖8～10所示。

圖8 1 m落地的等效應(yīng)力圖(速度：4.4m/s) 圖9 2 m落地的等效應(yīng)力圖(速度：6.3 m/s)

圖10 3 m落地的等效應(yīng)力圖(速度：7.7m/s) 圖11 4 m落地的等效應(yīng)力圖(放大100倍，速度：8.9 m/s)

3 結(jié)果分析與討論

經(jīng)過圖解顯示，可以得出四旋翼無人機(jī)墜地的最大應(yīng)力處，如圖12所示。

圖12 最大應(yīng)力處

觀察以上各圖，可以得到四旋翼飛行器撞擊地面的動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)果。為了更有效直觀的觀察及對(duì)比，將上述圖示結(jié)果經(jīng)過整理分析后結(jié)論總結(jié)于表1中。

表1 動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)果

已知最大應(yīng)力處為支架連接桿，且應(yīng)力已得，查資料得Al-1100的屈服極限是125 MPa。

許用應(yīng)力的計(jì)算公式(2)給出：

(2)

取n=1.5,可得Al的許用應(yīng)力[σ]為82.67MPa。

與表1的數(shù)據(jù)相比較，可得1～3 m的范圍均可，且3 m時(shí)應(yīng)力75.42 MPa略小于[σ]；在4 m時(shí)，墜地的等效應(yīng)力為94.285 MPa,高于[σ]，且超出部分為14%>5%，超出所允許的范圍。則超過3 m時(shí)，無人機(jī)墜地可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)架應(yīng)力最大部位變形損壞[6-7]。

通過以上分析，可知試驗(yàn)所用的四旋翼無人機(jī)的安全飛行高度在3 m左右。超過3 m這個(gè)高度，四旋翼無人機(jī)飛行時(shí)，若是遇到故障墜落與地面相撞，可能對(duì)機(jī)體造成損害。而試驗(yàn)所用的植保無人機(jī)的工作飛行高度為2 m，在安全飛行高度范圍內(nèi)，所以飛行器的日常操作運(yùn)用是可行的。

4 結(jié) 語

通過對(duì)四旋翼無人機(jī)仿真模擬的學(xué)習(xí)和研究，對(duì)無人機(jī)的安全飛行高度進(jìn)行檢驗(yàn)，運(yùn)用Solidworks軟件建立了飛行器的CAD模型，在使用ANSYS Workbench有限元分析軟件建立了無人機(jī)與地面撞擊的有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。本次實(shí)驗(yàn)也有不足的地方，比如為了減小建模的難度和計(jì)算量，簡(jiǎn)化了不少特征，并且為了計(jì)算迅速，粗化有限元網(wǎng)格。