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0 引言

隨著旋翼無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其在工業(yè)及生活中的應(yīng)用越來越廣泛，比如在航拍，電力巡線，地圖測繪，災(zāi)害監(jiān)測等諸多民用領(lǐng)域取得很好的實際使用效果，并得到了用戶的普遍認(rèn)可。

目前旋翼無人機(jī)由于自身特點的局限同時存在一些不足之處，如負(fù)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(jī)的方艙，該方艙結(jié)構(gòu)適用于無人值守的工作方式，艙門可以自動開啟和關(guān)閉，無人機(jī)可自主降落于方艙內(nèi)部的平臺上，內(nèi)部設(shè)置自動充電裝置。當(dāng)旋翼無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)返回后可自動充電為再次執(zhí)行任務(wù)做準(zhǔn)備。

此方艙配置于偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)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(jī)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(xiàn)無人機(jī)自主起降，將其功能分解為：艙門自動開啟結(jié)構(gòu)，旋翼無人機(jī)自動定位平臺機(jī)構(gòu)[2]以及平臺升降機(jī)構(gòu)[3]。主體框架為鋼結(jié)構(gòu)，外圍設(shè)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(jī)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(zhí)行機(jī)構(gòu)采用連桿傳動方式，最終實現(xiàn)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(shè)計盡量優(yōu)化。鑒于方艙使用地點均為偏遠(yuǎn)地區(qū)及交通不便的地方，盡量采用簡潔設(shè)計，方便其組裝運輸。

2 結(jié)構(gòu)方案的選擇

在對方艙功能和使用環(huán)境條件定位后，提出以下二種方案實現(xiàn)預(yù)設(shè)功能。

方案1：如圖1，方艙門為向2側(cè)打開，使用電動缸做動力元件，為解決懸空問題在2側(cè)增加輔助支撐軌道。無人機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)由4根先后動作的推桿執(zhí)行，無人機(jī)降落后由于自身GPS定位誤差及風(fēng)力的影響會偏離中心，推桿設(shè)置在有效降落范圍處，無人機(jī)降落后傳動機(jī)構(gòu)使推桿推動無人機(jī)定位在平臺中央。外形采用框架結(jié)構(gòu)，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(cè)打開嵌入艙體內(nèi)部通過電動推桿和連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。無人機(jī)平臺升降改為剪叉式升降機(jī)構(gòu)，以減少方艙整體高度。無人機(jī)定位機(jī)構(gòu)采用推桿式，傳動方式改為在平臺側(cè)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(jī)定位到平臺中心。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟

經(jīng)分析，方案2要優(yōu)于方案1，選擇方案2做進(jìn)一步研究。在初步構(gòu)思并實際調(diào)研考察一些相關(guān)數(shù)據(jù)后，利用單位模型軟件建立原始機(jī)構(gòu)模型，反復(fù)進(jìn)行模擬在SolidWorks中建立零件模型，進(jìn)一步細(xì)化后制作其實體模型。初步設(shè)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(jī)平臺，舉升機(jī)構(gòu)，以及艙門開閉機(jī)構(gòu)。

如圖3所示為方艙機(jī)械結(jié)構(gòu)整體圖，圖4所示為帶有太陽能電池板附件結(jié)構(gòu)圖。

圖3 方艙機(jī)械結(jié)構(gòu) 圖4 帶有太陽能電池板附件結(jié)構(gòu)圖

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

圖5 自動充電結(jié)構(gòu)

自動充電結(jié)構(gòu)如圖5，在無人機(jī)的長推桿與無人機(jī)腳架接觸面設(shè)置導(dǎo)電銅塊結(jié)構(gòu)，通過程序控制線性模組使長推桿和腳架接觸面產(chǎn)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(jī)的自主充電。

主箱體其它的空間放置其它相關(guān)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(jié)構(gòu)

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

電動缸作為動力源推動剪叉片，實現(xiàn)平臺的升降。在此過程中剪叉片為主要承載負(fù)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(jìn)行強度分析，從而確定設(shè)計是否合理，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)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(jìn)行網(wǎng)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(fù)載，換算后負(fù)載對右端鉸接點的壓力為F=250 N，施加約束和載荷。經(jīng)過求解得到應(yīng)力分布圖，如圖7。

圖7 應(yīng)力分布

根據(jù)結(jié)果分析可知，剪叉片最大受力為20482.5 Pa遠(yuǎn)小于Q235的屈服強度。變形量為0.00117mm，符合要求。

5 結(jié)論

1)該產(chǎn)品由我公司自主構(gòu)思設(shè)計研發(fā)的產(chǎn)品，可以實現(xiàn)無人機(jī)自主起降和充電，擴(kuò)展了無人機(jī)使用范圍，并且實現(xiàn)無人值守。

2)設(shè)計出一整套運動機(jī)械結(jié)構(gòu)和完整的電路模塊。包括曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)和剪叉機(jī)構(gòu)。

3)此方艙的設(shè)計能夠達(dá)到預(yù)期效果，運行穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)可優(yōu)化以增大空間。