關于無人機降落傘自動分離系統的設計與開發

吳青松 馮譯萱 韓廣場 周凱 周思成 潘勛怡

摘? 要：無人機是現代人們研究的一項重要熱點問題，通過對無人機的應用，能夠實現自動巡視、懸停、追究等多項功能，這也使無人機在調研與測繪等多個行業中都得到了廣泛應用，而且從具體應用情況來看，也取得了不錯的應用效果。但是，無人機在應用期間，可能會發生墜落問題，如果無人機在飛行期間，在人工密集區域發生墜落事故，不僅會造成巨大經濟損失，甚至而會造成人員傷亡，為了解決這一問題，人們加強了對無人機的研究。下面，針對無人機降落傘自動分離系統設計與開發進行深入研究，通過對該系統進行應用，當無人機發生故障快速墜落時，可以通過降落傘減緩無人機墜落速度，減少由于無人機墜落而發生的意外以及損失。

關鍵詞：無人機? 自動分離系統? 降落傘? 無人機迫降

中圖分類號：V27 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）03（a）-0077-03

Design and Development of Automatic Parachute Separation System for UAV

WU Qingsong? FENG Yixuan? HAN Guangchang? ZHOU Kai? ZHOU Sicheng? PAN Xunyi

（Heilongjiang Institute of Technology， Harbin， Heilongjiang Province， 150050 China）

Abstract： UAV is an important hot issue in modern people's research. Through the application of UAV， it can realize automatic inspection， hovering， investigation and other functions， which also makes UAV widely used in many industries， such as survey and mapping， and has achieved good application results from the specific application situation. However， during the application of UAV， the problem of falling may occur. If the UAV falls in the artificial intensive area during flight， it will not only cause huge economic losses， but also cause casualties. In order to solve this problem， people strengthen the research on UAV. Next， the design and development of UAV parachute automatic separation system is studied in depth. Through the application of the system， when the UAV falls down rapidly due to fault， parachute can be used to slow down the falling speed of UAV and reduce the accidents and losses caused by UAV falling.

Key Words： UAV; Automatic separation system; Parachute; UAV forced landing

隨著人們對無人機研究的不斷深入，其性能得到了顯著提升，目前無人機已經被廣泛應用到了大氣探測、軍事偵察、電網巡檢、傾斜攝影等多個領域中。對于新研發的無人機在具體投入前，要進行多試飛試驗，確保無人機性能良好，可以正常應用，才能投入應用。無人機飛行測試期間，受無人機發動機故障、控制系統故障等各項問題影響，可能會導致無人機在飛行期間發生失穩，甚至出現墜機問題。由此可見，要在無人機上搭載降落傘系統，當無人機遇到特殊情況，必須迫降時，通過對降落傘系統進行應用，確保無人機安全降落，以免發生墜機事故。

1? 無人機降落傘開傘原理

1.1 傳統開傘

傳統開傘就是對無人機飛行情況進行檢測，通過檢測發現無人機出現故障降落時，釋放無人機的降落傘，但是，這種開傘方式在具體應用期間需要一定時間開傘，而無人機通常都低空飛行，無人機從墜落到降低落到地面持續時間較短，采取該方式開傘，經常會出現無人機出現故障發生墜落時，無法及時打開降落傘的情況[1]。因此，要想確保降落傘可以更好的保護無人機安全，要做好無人機降落傘分離系統設計，發揮降落傘的作用。

1.2 彈簧開傘

無人機中彈簧開傘就是對固定在無人機中降落傘中彈簧進行應用，進而將無人機中的降落傘彈出，如果檢測到飛行的無人機出現快速下墜問題時，固定的彈簧則會快速彈出，減緩無人機下降速度。對于無人機來說，彈簧傘方式應用起來成本低、方式簡單，但是這種方式在具體應用過程中也會受倒一定限制，只能應用在固定翼無人機上，而且，裝置在應用時靈敏性相對較差，因此，具體應用過程中，可能會發生無法彈出降落傘情況[2]。

1.3 爆破開傘

爆破開傘是利用炸藥將降落傘彈出的一項裝置，這種裝置是通過對炸藥爆炸而形成的高壓氣體進行應用，彈出降落傘。需要注意的是，爆破開傘所需裝置結構精密度高，而且裝置成本高，這種開傘方式并不適合應用到多數無人機行業中。以上幾種開傘方式在具體應用中都存在不同類型的缺陷，因此，相關人員在吸收了以上幾種開傘裝置優點進行全面吸收的基礎上，對無人機的降落傘進行分析[3]。

2? 無人機降落傘系統在應用時面臨的難題

無人機降落傘回收對于回收場地的具體要求相對較低，并且整體操作相對來說十分簡單，對于飛手的專業能力要求并不高，因此，降落傘回收是目前我國中小型無人機在野外飛行與作業期間十分常用的一種回收方式，通過對該方式進行應用，能夠完成對降落傘的合理回收[4]。但是如果外界風較大，特別是在具有較大的強側風時，受強風影響，無人機落地瞬間，無人機的降落傘還處于充氣狀態，此時降落傘受到空氣的阻力較大，降落傘繩會處于拉直狀態，這會導致無人機在落地時容易被拖拽，進而使無人機會與地面發生嚴重的碰撞，情況嚴重時會導致無人機發生連續翻轉，無人機在地面上受降落傘繩拉扯作用影響，各項零部件以及外殼都容易遭受破壞。特別是在風較大的天氣下，無人機降落后降落傘拖拽影響，無人機在地上速度較快，一般人奔跑都無法追趕上無人機在地上被降落傘拖拽的速度，這也就加大了回收無人機的難度[5]。造成上述問題的核心原因就是無人機在降落后，無人機與降落傘還是一個整體，并未實現分離，因此，為了使上述問題得到解決，相關人員要應當在對降落傘與無人機連接處進行全面分析基礎上，設計一種新型機械結構，通過對該結構進行應用，進而使無人機落地時，降落傘與無人機能夠實現自動分離，以由于降落傘作用對無人機造成拉扯，損壞無人機。此外，避免無人機信號傳輸遭受到影響，設計的分離裝置要采取純機械結構，避免電磁干擾。

3? 無人機降落傘系統構成與工作流程

3.1 降落傘回收與迫降系統的構成

設計的降落傘回收系統住主要有4個部分構成的，整個系統由上到下分別為降落傘、降落傘自動分離裝置、無人機、著陸緩沖裝置。

該類型的無人機降落傘回收系統與常規無人機降落傘回收系統進行對比，其主要區別是在整個系統中添加了降落傘自動分離裝置，該裝置在具體應用過程中的作用就是當無人機著落的瞬間，降落傘能夠與無人機發生分離，這可以有效避免降落傘對無人機造成拖拽，導致無人機遭受破壞[6]。

3.2 降落傘回收與迫降流程

無人機依據制定程序完成制定的飛行任務后，或者無人機在飛行期間受外界因素影響，發生意外進入迫降程序時，此時，地面站或飛控會發生相應的降落指令，無人機發動機接收到相應指令后，會減速熄火，降落傘倉舵機發生轉動解鎖傘倉，受扭彈簧作用影響，彈開傘倉蓋，引導傘會迎專業風展開，并且能夠快速充氣，無人機中的主降落傘會被拉出，并且充滿空氣，受空氣阻力作用影響，用于拉扯無人機降落速度的繩子會被拉直，降落傘繩拉力解鎖鎖傘機自動分離裝置，并且，要開啟著落緩沖裝置，無人機安全墜落。無人機墜落瞬間，降落傘傘繩保持松弛，無人機中的降落傘自動分離裝置內的掛鉤將會被彈開，降落傘會與無人機發生分離。

4? 設計無人機降落傘自當分離裝置結構

4.1 降落傘機自動分離裝置模型

為了避免干擾無人機電磁信號，降落傘機自動分離裝置采用的為純結構，該裝置一共由、外殼、掛鉤、帶耳螺母、頂絲、鋼珠、扭簧、螺紋銷、無人機吊環多個構件共同構成，無人機在降落期間，降落傘繩始終都保持緊繃狀態，同時，該裝置也保持緊繃狀態。無人機著落時，無人機與落地接觸瞬間，無人機中上的著落緩沖裝置的作用將會生效，這會降低無人機降落速度，速度不斷減緩，最終發生輕微反彈，降落傘會處于松弛狀態。結構中的扭簧在彈力作用下將會被彈開，這將會導致降落傘自動分離裝置被斷開，無人機與降落傘裝置會完成分離。

4.2 無人機降落傘自動分離裝置分析

該類型的降落傘自動分類裝置主要適合安裝在小型固定翼無人機，其可以在野外作業中應用，樂意通過主動方式完成降落，也能夠用在遇到緊急情況時，進行迫降，該類型的無人機的各項參數如表1所示。

4.3 無人機降落傘自動分離裝置采用的材料

無人機降落傘自動分離裝置采用的材料如表2所示。

通過表2中數可以看出，對于無人機來說，彈簧、扭簧在具體制造時都采用給常用的彈簧鋼制造，牌號為65Mn，采用該材料的原因是因為該材料就有較好的強度和硬度，并且，回彈效果好，因此，將其作為原材料制成彈簧、扭簧，將該材料制作而成的彈簧、扭簧應用到無人機中，能夠使無人機降落傘在應用時的具體作用可以得到合理發揮;無人機降落傘自動分離裝置的外殼在無人機降落期間僅收彈簧和鋼珠兩者的作用力影響。對于殼體來說，不需要具有太大強度，在具體設計期間，從防銹蝕和整體美觀性入手對具體設計進行分析，最終決定采用通過T5時效處理的2A12 牌號鋁合金，這一材料不僅可以滿足應用需求，而且具有不錯的經濟，這也是該材料得到廣泛應用的關鍵;無人機降落傘自動分離裝置結構中的頂絲和鋼珠在應用時僅受彈簧力作用影響，對于該結構的制造，采用304不銹鋼即可;整個裝置中的螺紋銷起到的作用是連接無人機吊環與掛鉤，因此，其在具體應用時，會遭受到較大剪切應力，為了避免螺紋銷遭受破壞，提高該結構強度，要利用高強度45#鋼，將其作為制造材料。此外，為了確保最終設計產品在應用的可靠性，以及應用效果良好，在裝置內部要進行潤滑和除銹處理，保證裝置在應用過程中內部不出現銹蝕情況，以免裝置在應用時的作用無法得到發揮。

5? 結語

針對無人機降落受降落傘拖拽影響，設計了無人機降落傘自動分離系統，整個裝置采取了純機械結構，可以避免無人電磁信號干擾，整個結構安裝簡單、小巧，同時采用該裝置可以避免無人機降落時發生嚴重拖拽問題，應用效果良好。

參考文獻

[1] 鄧杰文，胡鑫，姜路沖.一種新型無人機降落傘彈射裝置的開發與研究[J].科技風，2020（11）：25.

[2] 龔小勝，蔡武惠，劉雪鋒，等.降落傘及安全氣囊在固定翼無人機中的應用及研究[J].電力設備管理，2020（1）：141-142.

[3] 廖銳，周永錄，普園媛，等.基于無人機應急傘降避損與落點定位的研究[J].電子測量與儀器學報，2019，33（9）：16-24.

[4] 龍吉.基于STM32的無人機精準空投控制裝置的設計[J].電子技術與軟件工程，2019（2）：83.

[5] 吳翰，王正平，周洲，等.基于凱恩方程的無人機傘降回收動力學建模與仿真[J].北京航空航天大學學報，2019，45（6）：1256-1265.

[6] 王童，邢健健，張文君，等.小型無人機傘降回收與失控保護系統的研究[J].科技風，2017（8）：22，24.