無人機新型撞網回收系統設計與數值仿真

蔡 亮，閆兆武

(1.南昌航空大學 飛行器工程學院， 南昌 330063； 2.南昌航空大學 通航學院， 南昌 330063)

1 引言

無人機是指無人駕駛的飛行器，沒有飛行員或者乘客，可以進行遙控駕駛或預先編程以自動飛行。無人機近些年發展迅猛，以其隱蔽能力強、生存能力強、造價低廉、不懼傷亡的特點受到了軍事和邊境的青睞，被廣泛應用于提供情報，監視，目標獲取和偵察等任務。

無人機在軍事上應用比較廣泛，而近幾年隨著無人機的發展，其在民用公共領域應用場景也越來越多越多。根據國際無人駕駛系統協會(AUVSI)對美國無人機民用領域應用的一項調查，無人飛行器行業的前三大應用是建筑，基礎設施和農業。這也表明無人機在各領域應用越來越廣泛，承擔的任務也越來越重，其所攜帶的設備精密程度也越來越高，所以做到安全回收對于無人機的使用至關重要。

無人機的回收方式在選擇時受多個因素的影響，其中包括無人機自身重量、工作場合、用途、成本等限制。現階段無人機回收方式主要有撞線回收、傘降式回收、撞網回收、跑道滑跑式回收、機腹擦地式回收、阻攔索回收、空中回收、氣囊著陸回收。

其中，無人機撞網回收技術比較成熟,簡單有效，但是撞網回收系統的難點在于無人機撞網時阻尼裝置的設計，在降低成本的同時，選擇合適的阻尼裝置對于安全回收無人機至關重要。撞網回收可以實現無人機零距離回收，這對于在山區、艦船、戰場或者其他沒有廣闊場地的地方回收無人機具有非常重要的意義。

撞網回收是無人機通過碰撞柔性阻攔網，從而進行減速回收的一種方式。其中阻攔網在受力時呈現出非線性特點，難以建立準確的數學模型，而采用非線性仿真工具，運用有限元思想，可以很好地描述柔性網的非線性特性，從而更準確的描述無人機撞網過程。萬佳寧等在ANSYS/LS-DYNA中用LINK167纜單元對警用網槍所用的柔性網進行了建模和動力學仿真，仿真結果與實驗結果相吻合。胡曉楠等在ANSYS/LS-DYNA中采用LINK167纜單元建立柔性繩索模型，并且實現了單根柔性繩索在空氣阻力作用下的動力學仿真，仿真結果與實驗結果有較高的一致性，證明了仿真方法的有效性。曹強等基于有限元法，在ANSYS/LS-DYNA中用LINK167單元對具有非線性特性的柔性網進行仿真建模，動態模擬了其彈射飛行過程，與實物實驗結果相吻合。朱超等在ANSYS/LS-DYNA中運用LINK167纜單元對柔性網進行有限元建模，并且模擬了旋轉柔性網與剛體目標之間的碰撞等非線性接觸問題。

無人機撞網回收可按照按攔阻網和立網支架的數量不同劃分，可分為以下幾種方案：單網單桿、單網雙桿、單網三桿、雙網雙桿。褚永康、文登等在其設計的單網三桿撞網回收系統中運用了渦輪阻尼器來降低回收無人機時的峰值過載。金泉等在其設計的單網雙桿撞網裝置中運用自行車剎車阻尼系統來降低無人機的峰值過載。

本文旨在通過設計一種新型的L形網阻力傘撞網回收裝置，將無人機入網后，利用柔性網和阻力傘控制無人機撞網后的最大過載，以保護無人機及其攜帶的精密儀器和設備。

2 L形網阻力傘撞網回收系統設計

無人機撞網回收系統降低無人機回收過程中峰值過載的途徑一般有2種：① 依靠網自身的吸能緩沖特性來降低回收過程中的峰值過載。② 利用自行車剎車、渦輪阻尼器等附加阻尼裝置降低峰值過載。途徑②相較于①回收效果較好，但現有如渦輪阻尼器等附加裝置結構復雜、成本較高、穩定性差。L形網阻力傘撞網回收系統利用阻力傘的空氣阻力特性和阻攔網的吸能緩沖特性來作為撞網回收裝置的阻尼，在結構和原理上對撞網回收系統進行創新設計，以求達到降低峰值過載、平穩的回收效果。

如圖1所示，回收裝置主要由立柱3和5、鋼索2和7、回收網8、阻力傘1、鋼環4以及鋼索尾端的緩沖阻尼裝置6組成。其中4根立柱和鋼索組成回收系統的整個框架。4根立柱分別由鋼索連接和固定，回收網整體形狀呈L形，回收網與鋼索由6個鋼環連接在4根鋼索上，回收網通過橡筋連接在鋼環上。網垂直面的四角分別帶有傘包，傘包中放置有阻力傘，鋼索末端裝有橡膠緩沖墊。

在三維建模軟件中建立撞網回收裝置的數字化模型，如圖1所示。

圖1 撞網回收系統模型示意圖

無人機在回收時首先接觸到阻攔網，并迅速地和阻攔網系統共速。共速前位于L形網4角位置的阻力傘，被迅速拉出，為無人機和網組成的系統提供阻尼力。無人機與網組成的整體迅速減速，經過2 s左右，無人機和網組成的整體觸碰到鋼索末端的阻尼裝置，整體速度降至0，回收過程完成。

3 無人機回收過程動力學建模

由于無人機在撞網后，與網一直保持緊密接觸，故而這個過程可以看作是完全非彈性碰撞，而且由于無人機撞網時間非常短暫，故而整個系統遵循動量守恒。設無人機速度方向為正向，則有：

=(++)

(1)

式中:為無人機的質量;為網的質量;為鋼環以及傘包的總質量;為無人機撞網前速度;為撞網后整體的速度。

無人機在回收過程中所受到的阻尼力分為3個階段。

3.1 階段一阻尼

此階段中主要由阻攔網提供阻尼力。此過程為無人機撞向阻攔網，并迅速達到共速。阻攔網由于無人機的撞擊，會發生變形并產生阻尼力。無人機近似為剛性球體，所以可將無人機與網的碰撞近似成為剛性球體與柔性網之間的碰撞，在ANSYS/LS-DYNA中建立有限元模型，無人機簡化為剛性球體，用LINK167纜單元模擬阻攔網。在ANSYS/LS-DYNA中建立模型如圖2所示。

圖2 剛性球和繩網模型示意圖

在模型中將無人機近似為直徑為0.15 m,質量為25 kg的剛性球，以30 m/s的速度與阻攔網相撞，阻攔網4個角固定。阻攔網的尺寸為長6 m，寬3 m。阻攔網的彈性模量為1.2×10Pa。

3.2 階段二阻尼

阻力傘的阻尼力由空氣阻力產生。阻力傘在開傘過程中，傘結構會在充氣階段受到沖擊載荷。沖擊載荷主要在充氣階段產生。系統整體在撞網后由阻力傘提供阻尼力，而其中阻力傘的空氣阻力隨著整體速度的減小而變小，故在整個回收過程中阻力、速度、加速度都在變化。

開傘動載：

(2)

式中：為開傘速度；動載系數，此處取1.5；開傘動載縮減系數，此處取0.33；為開傘動載不均勻系數，此處取1.45。

根據牛頓第二定律可有：

(3)

式中：

=++

阻力傘在某時刻的阻力：

(4)

式中：為所選取阻力傘的阻力系數;為空氣密度;為阻力傘面積;為阻力傘在時刻的速度。

結合式(3)、式(4)兩個式子可有：

(5)

回收系統在某時刻的速度：

+1=-d

(6)

由式(3)、式(4)、式(6)可得

(7)

由式(8)結合位移定義可得回收過程的位移：

(8)

3.3 階段三阻尼

第3階段阻尼力由阻力傘的空氣阻力和鋼索尾端的的橡膠緩沖墊提供。阻力傘的阻力隨著速度的減小而慢慢變小，系統接觸到末端的阻尼緩沖墊，回收系統的速度降至0，回收結束。橡膠緩沖墊可以為阻攔網系統提供很好地緩沖，可以讓整個系統實現“軟制動”，從而更好地保護無人機。

故此時對于系統有：

(9)

其中：為橡膠緩沖墊提供的阻尼力。

將式(14)代入式(10)可得：

(10)

4 數據仿真與分析

4.1 階段一仿真結果與分析

第一階段是無人機和柔性網進行碰撞，在ANSYS/LS-DYNA中建有限元模型后，設置完關鍵詞后將其保存為k文件，將k文件提交至LS-DYNA manager解算器進行仿真計算。仿真核數設置4,然后等待計算結果完成，仿真完成后，用LS-PrePost查看結果，結果中可以看到模擬的小球與網碰撞時各個時刻的變形，以及小球在與網相撞方向的過載。仿真過程中幾個不同時刻的接觸狀態以及碰撞方向上的過載如圖3、圖4所示。

圖3 不同時刻接觸狀態圖

圖4 剛性球不同時刻過載曲線

由圖4可以看到當阻攔網4角為固定狀態時，剛性小球與阻攔網在0.72 s開始接觸，到1.63 s時過載達到最大，無人機在回收過程中的峰值過載約為6.1 g。

4.2 階段二仿真與結果分析

阻力傘充滿的時間特別短暫，一般在10～100 ms。阻力傘在共速前某時刻開傘，開傘速度為共速速度，開傘動載持續時間為30 ms。阻力傘產生開傘動載時，根據階段一的仿真結果，當無人機所受到的阻力大于1 989 N時，阻攔網的吸能緩沖可將無人機的過載控制在6.1 g以內。階段二對阻力傘的回收過程動力學仿真參數如表1所示。

表1 無人機回收系統參數Table 1 Parameters of UAV recovery system

無人機與回收網碰撞后，回收網整體所受的力為阻力傘的空氣阻力：

=

根據階段一撞網仿真結果以及階段二所建立的阻力傘動力學模型圖5在Matlab/Simulink環境下進行仿真運算，可得到無人機撞網回收整個過程的速度、位移以及過載變化結果如圖6所示。

圖6(a)是阻力傘開傘后的阻力曲線，開傘動載持續時間約為30 ms，阻力在開傘動載階段阻力維持在5 196 N以上，此階段無人機會產生回收過程中的最大過載，而回收網是一個吸能緩沖的耗散系統，所以根據階段一撞網仿真模擬所得結論，可將開傘動載期間的阻力控制在1 989 N以內，如圖6(b)的曲線所示。圖6(a)、(b)的阻力曲線在降低到30 N后陡增到753 N時，對應的是回收網系統碰撞到鋼索末端的橡膠緩沖墊，迅速制動時的狀態。

圖5 Simulink仿真模型示意圖

圖6 回收過程阻力過載曲線Fig.6 UAV net-recovery drag force and overload

圖6中是無人機的回收過載曲線。在回收過載曲線圖中，可以看出無人機的最大回收過載為6.1 g，產生于阻力傘開傘動載產生階段，隨后無人機的過載逐漸下降，由于此過程阻尼力由阻力傘的空氣阻力提供，而阻力傘的阻尼力又隨整體的速度降低而降低，所以整體的合外力迅速減小，過載亦迅速減小。系統接觸到鋼索尾端的橡膠緩沖墊，速度迅速降為0，會出現瞬時的過載增加。

圖7中的速度剛開始出現了陡降，這是由于阻力傘開傘瞬間產生了開傘動載，阻力迅速增加。回收過程中系統速度隨阻力傘阻尼力減小而減小，直到無人機與網組成的系統接觸到鋼索尾端的橡膠緩沖墊，對應圖中速度的拐點，隨后速度迅速降為0，無人機位移可由速度為零時得到，整個回收行程大約為10 m。

圖7 無人機回收速度位移曲線

5 結論

本文從無人機撞網回收裝置阻尼力的角度、減小回收過程中的過載以及裝置成本的角度出發，對無人機撞網回收裝置進行了創新設計，建立了撞網回收裝置的三維數字化模型，并進行動力學建模和數字化仿真。可得到結論如下：

1) 本裝置結構簡單、易操作，能夠實現快速拆裝，滿足小型固定翼無人機的回收需要。

2) 仿真以25 kg固定翼無人機為研究對象，設定以 30 m/s的速度進行撞網回收，柔性網和系統使用的8個阻力面積為1.69 m阻力傘，回收過程中無人機的峰值過載為 6.1，回收距離約為10 m。能夠實現快速平穩回收。

3) 回收過載與回收距離與阻力傘的的阻力面積和數量分別成反相關和正相關。后續可針對不同重量類型的無人機調整阻力傘阻力面積和數量。結合調整阻力傘的位置關系，實現低過載或快速回收。