李俊杰 霍宗鈺

（1.廣東東軟學(xué)院 廣東省佛山市 528225 2.廣東常用科技有限公司 廣東省佛山市 528225）

1 云雨粒子探測背景

隨著全球氣候變暖，氣候帶來的災(zāi)害逐漸增多而如今的發(fā)展情況下，現(xiàn)在的無人機(jī)雖然一直在改造升級，但安全層面上仍然存在瑕疵，顯得不夠完善。比如現(xiàn)在的云雨探測無人機(jī)飛行區(qū)域受限，續(xù)航時(shí)間短，難以高效地完成工作任務(wù)，其中還存在著安全隱患，因無人機(jī)以及儀器保護(hù)裝置的落后從而導(dǎo)致無人機(jī)事故眾多，許多昂貴儀器因此損壞也甚是可惜。所以無人機(jī)儀器保護(hù)裝置是無人機(jī)十分重要的一環(huán)，也是我國無人機(jī)發(fā)展應(yīng)用最重要的一環(huán)，關(guān)系到人們的安全和昂貴經(jīng)費(fèi)的消耗。

氣象探測離不開對云雨粒子微物理特征的研究，在環(huán)境、大氣科學(xué)領(lǐng)域其屬于其中一個(gè)焦點(diǎn)。云雨粒子的相態(tài)（云相態(tài)是指云頂粒子的熱力學(xué)相態(tài)，利用衛(wèi)星遙感中的不同波段，可以對云相態(tài)進(jìn)行識別）、形狀、含水量、粒徑分布以及粒子數(shù)濃度等參數(shù)對科學(xué)家研究預(yù)測此區(qū)域的天氣狀況、雨水從什么海洋飄過來、生活環(huán)境對天氣的影響、雨水引起的氣候變化、氣候?qū)d人機(jī)空中飛行安全的因素等眾多領(lǐng)域都有著不同程度的影響，對云雨粒子準(zhǔn)確測量的關(guān)鍵是為了能夠從云降雨的物理過程中獲取?？茖W(xué)家研究云雨粒子的微物理特征從無到有已經(jīng)開發(fā)了多種遙感技術(shù)并在實(shí)踐中應(yīng)用，可以通過地面接發(fā)基站和天空接發(fā)基站的遙感儀器通過反演得到空氣中云雨粒子的微物理參數(shù)，不過在此過程需要搭建云雨水粒子它們之間相互產(chǎn)生的特性的假設(shè)，但是這種性質(zhì)的假設(shè)是需要分析現(xiàn)場測量結(jié)果得到的。所以通過機(jī)載（目前技術(shù)大多以熱氣球升空搭載）云雨粒子現(xiàn)場測量設(shè)備通常被認(rèn)為可以較為準(zhǔn)確地獲取云和雨粒子的微物理特性，目前已被廣泛地應(yīng)用在云雨物理、人工影響天氣研究和衛(wèi)星、雷達(dá)等設(shè)備遙感結(jié)果的驗(yàn)證中。

本研究搭載的是水凝物視頻探空儀（Hydrometeor Videosonde，HYVIS），這款探測器是屬于碰撞取樣方式，其是一種利用膠片和涂層形成的采樣面收集由粒子之間碰撞產(chǎn)生的印痕，并進(jìn)一步進(jìn)行人工或自動(dòng)處理得到粒子形狀、直徑和尺度譜信息的球載云降水粒子測量儀器。在飛行過程中直接對粒子印痕拍照回傳處理。水凝物視頻探空儀內(nèi)含顯微相機(jī)以及精密相機(jī)2個(gè)攝影機(jī)，其中顯微相機(jī)的視場為0.9mm×1.2mm，用于拍攝粒徑小于300μm的小粒子；精密相機(jī)的視場為5.25mm×7mm，用于拍攝粒徑大于300μm的大粒子。

將連接GPS無線探空儀的HYVIS用無人機(jī)飛向天空，捕獲大氣中直徑數(shù)十至數(shù)百微米的粒子。將捕獲的粒子附著在膠片上，用兩種相機(jī)（顯微鏡和特寫）交替拍攝，然后作為視頻信號發(fā)送到地面站。通過拍攝的圖像，可以計(jì)算附著粒子的形狀，大小，數(shù)量和粒子的數(shù)量密度。HYVIS的直接觀測用于觀測積雨云和臺(tái)風(fēng)，極化雷達(dá)辨別和評估降水粒子，云分辨率數(shù)值模擬和火山灰監(jiān)測。

傳統(tǒng)探測方式采用熱氣球掛載HYVIS探空儀自由上升至云層進(jìn)行云雨粒子的采集，隨后待熱氣球燃料耗盡后自由飄落。由于熱氣球會(huì)隨著風(fēng)的因素隨意飄動(dòng)，儀器降落的位置是未知的，容易給地面人員帶來安全隱患，在落地后的回收也往往非常艱難，并且容易出現(xiàn)儀器下落途中造成損壞?，F(xiàn)代探測方式采用無人機(jī)搭載HYVIS探空儀垂直上升至收集區(qū)域后便返回地面，能精準(zhǔn)、快速以及安全的回到地面，高效的完成工作任務(wù)。

2 無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

無人機(jī)需具備以下條件：

（1）飛行風(fēng)力：6級風(fēng)-7級風(fēng)；

（2）飛行速度：4-5m/s；

（3）儀器重量：1600g；

（4）飛行升限：1000m；

（5）飛行半徑：250m；

（6）飛行方式：垂直上升；

（7）飛行時(shí)長：30min；

（8）起降區(qū)域：具有不小于50m乘50m平整無雜物地面；

（9）垂直速度：>3m/s。

無人機(jī)結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。整機(jī)布局以不倒翁架構(gòu)，設(shè)計(jì)的電池倉在無人機(jī)底部的正下方，提供重心在下，使無人機(jī)在遇到特殊情況下也不會(huì)傾斜翻轉(zhuǎn)從而保護(hù)儀器。將云雨粒子探空儀放置在無人機(jī)的頂板上的儀器保護(hù)倉內(nèi)，再蓋上儀器保護(hù)倉蓋，蓋上設(shè)計(jì)有云雨粒子的收集口。儀器保護(hù)倉的四周設(shè)有氣墊緩沖裝置，給儀器的安全提供多一層保障。儀器保護(hù)倉與機(jī)身本體之間采用快拆結(jié)構(gòu)相連，方便儀器的拆裝替換。

圖1：無人機(jī)結(jié)構(gòu)布局圖

2.2 總體結(jié)構(gòu)

多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)分別是由機(jī)架、動(dòng)力系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)三部分組成，其中機(jī)架包括機(jī)身、機(jī)臂和起落架；其次動(dòng)力系統(tǒng)包括電機(jī)、電調(diào)、電源和螺旋槳；最后指揮控制系統(tǒng)包括遙控器、接收機(jī)、GPS、飛控、電臺(tái)部分多旋翼無人機(jī)還有地面站。

2.3 機(jī)架設(shè)計(jì)

從古至今，學(xué)會(huì)運(yùn)用巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)提高其可靠性。多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也不例外。根據(jù)無人機(jī)自身需要的動(dòng)力系統(tǒng)裝置的選型以及搭載的儀器的重量配置位來設(shè)計(jì)。多旋翼無人機(jī)在各類零件的尺寸設(shè)計(jì)方面有著密切的關(guān)系，影響著整體的性能。大致有：機(jī)架、機(jī)臂、螺旋槳等尺寸。如果把機(jī)臂的夾角用符號θ來表示，常見的四旋翼無人機(jī)對應(yīng)的角度θ=90°；而常規(guī)結(jié)構(gòu)的六旋翼對應(yīng)θ=60°。從圖2得知，設(shè)機(jī)臂數(shù)為n，則θ=360°/n，此時(shí)機(jī)架半徑R與旋翼最大半徑r存在如下關(guān)系：

圖2：Y6六旋翼、傳統(tǒng)四旋翼、傳統(tǒng)六旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

R=r/sinθ/2=r/sin180°/n

2.3.1 機(jī)身與起落架

機(jī)身是承載無人機(jī)所有設(shè)備的一個(gè)平臺(tái)。其實(shí)用性、穩(wěn)定性和續(xù)航能力都與機(jī)身的設(shè)計(jì)有關(guān)。所以需要在設(shè)計(jì)無人機(jī)前，選定無人機(jī)機(jī)身的材料、尺寸、重量和強(qiáng)度等條件尤為重要。而起落架則是無人機(jī)在起降時(shí)重要的一個(gè)支柱，其可以保持無人機(jī)的水平平衡；還可以在無人機(jī)接觸地面時(shí)起到緩沖保護(hù)作用。

機(jī)身選用碳纖維板材，雖然其造價(jià)昂貴，但是提供的動(dòng)力效率高，并且碳纖維材質(zhì)密度小、強(qiáng)度高，符合設(shè)計(jì)的無人機(jī)要求。為了使無人機(jī)能提供更大的載重能力，因此需要無人機(jī)本身的重量有所控制，起落架同樣采用碳纖維材料的管子，強(qiáng)度和硬度都比大部分材料都好。

2.3.2 布局設(shè)計(jì)

無人機(jī)一般的布局設(shè)計(jì)是含有三個(gè)條件。首先是機(jī)架自身整體形狀；其次是與至接觸面平滑度；最后是零部件與機(jī)身等結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)分布合理性。

機(jī)身布局：

（1）常規(guī)（交叉）結(jié)構(gòu)。以多旋翼中的四旋翼為例子，常規(guī)的結(jié)構(gòu)布局就是以中心點(diǎn)為整體，四個(gè)旋翼為直接動(dòng)力源，其中電機(jī)螺旋槳安裝在機(jī)臂的最尾部，延伸的機(jī)架相互交叉與中心點(diǎn)，機(jī)身中間的位置負(fù)責(zé)安置飛控、接收機(jī)、電源供電模塊以及一些其他外部設(shè)備。四旋翼按機(jī)頭與機(jī)架之間形成夾角的關(guān)系可分為X型結(jié)構(gòu)以及+型結(jié)構(gòu)（如圖3所示）。X型比+型的設(shè)計(jì)具有更高的操作機(jī)動(dòng)性。因?yàn)閄型是以逆時(shí)針?biāo)愀┮暉o人機(jī)右上為第一機(jī)臂，安裝逆時(shí)針電機(jī)（CCW），左上則為第二機(jī)臂，安裝順時(shí)針電機(jī)（CW），逆時(shí)針以此類推，因此此結(jié)構(gòu)有更多的旋翼進(jìn)行俯仰角控制和姿態(tài)控制，可進(jìn)行手動(dòng)、姿態(tài)、GPS模式操作，是目前無人機(jī)中最為常見的設(shè)計(jì)，可以有效減少機(jī)臂以及旋翼對云臺(tái)視野的遮擋。

圖3：+型、X型布局

（2）環(huán)形布局。環(huán)形布局的多旋翼無人機(jī)基本外形與上述X型結(jié)構(gòu)布局相類似。環(huán)形布局多旋翼的機(jī)架組合成一個(gè)整體，與傳統(tǒng)的X型機(jī)架相比，其剛性更大，并且有助于降低無人機(jī)飛行時(shí)電機(jī)與螺旋槳之間產(chǎn)生的振動(dòng)。但作為代價(jià)，環(huán)形布局的設(shè)計(jì)會(huì)增加整體機(jī)身體積以及重量，在一定程度上影響了多旋翼無人機(jī)機(jī)動(dòng)性高這一優(yōu)點(diǎn)。

氣動(dòng)布局：

對布局進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的目的主要是為了降低飛行時(shí)機(jī)身的阻力。我們可以通過阻力公式：

D=1/2*ρ*V*S*C

得出無人機(jī)飛行時(shí)受阻的因素，其中有空氣密度、空速、接觸面積以及升力。由此可以把阻力分為無人機(jī)接觸面的摩擦阻力、無人機(jī)飛行時(shí)的壓差阻力、無人機(jī)提供升力而產(chǎn)生的誘導(dǎo)阻力和零部件之間的干擾阻力。

（1）摩擦阻力。多旋翼無人機(jī)在飛行過程中機(jī)身與大氣的接觸面稱為附面層，摩擦阻力在其上與飛行方向呈反向。粘性越大的空氣流過無人機(jī)時(shí)對飛行影響越大，無人機(jī)的表面粗糙程度越大或無人機(jī)與空氣接觸的表面積越大，則摩擦阻力越大。

（2）壓差阻力。多旋翼無人機(jī)飛行時(shí)機(jī)身前后壓強(qiáng)差形成的阻力。這一阻力主要是受空氣流過物體時(shí)與其接觸的迎風(fēng)面積的大小有關(guān)，若迎風(fēng)面積越大，則所受的壓差阻力也越大。無人機(jī)的外形結(jié)構(gòu)也對壓差阻力也有很大影響，雖然它們的最大迎風(fēng)面積是相同，但是它們所受的阻力卻是相差很大，其中圓盤所受的壓差阻力是最大的，球形是次之，而流線體的最?。ㄖ挥袌A盤所受壓差阻力的1/20）。

（3）誘導(dǎo)阻力。伴隨升力而產(chǎn)生的阻力。多旋翼高速前飛時(shí)機(jī)身能產(chǎn)生升力，就會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)阻力。

（4）干擾阻力。飛機(jī)的各個(gè)部件組合在一起所產(chǎn)生的阻力并不等于單獨(dú)置于氣流中所產(chǎn)生的阻力總和，其中額外的阻力就是干擾阻力。我們?yōu)榱藴p少干擾阻力，往往需要細(xì)致分析考慮和安排各個(gè)部件之間的相對位置，與此同時(shí)盡量使各個(gè)部件直接的連接處盡量以圓滑結(jié)構(gòu)過渡，便于降低非必要的阻力。對于需要高速前飛者遠(yuǎn)距離巡航飛行的多旋翼，從設(shè)計(jì)無人機(jī)結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)布局來降低飛行中的阻力提升飛行效率是一大關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮多旋翼無人機(jī)在前飛時(shí)的傾角，減少最大迎風(fēng)面積，并保證機(jī)身設(shè)計(jì)的流線型，還不能忽略在機(jī)身中各部件之間的布局，在安置合理性的同時(shí)連接處要圓滑的結(jié)構(gòu)過渡，避免每一處零件帶來的阻力，在機(jī)身硬度要求合適的前提下保證表面的光滑程度。更進(jìn)一步，可以通過CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）仿真計(jì)算阻力系數(shù)，不斷優(yōu)化外形設(shè)計(jì)，以期獲得滿意的多旋翼飛行性能。

3 基于探空儀的安全裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 儀器保護(hù)倉設(shè)計(jì)

圖4為儀器保護(hù)倉，用于保護(hù)云雨粒子探測器，安裝飛機(jī)頂部，對于該儀器我們在使用過程中只將探測部分露出其他區(qū)域均有海綿包裹，防止炸機(jī)、輕微側(cè)翻給儀器造成的傷害，減少損失。倉體結(jié)構(gòu)根據(jù)無人機(jī)重心設(shè)計(jì)，以最小的體積放下多種探測儀器，內(nèi)部可以根據(jù)不同的內(nèi)襯設(shè)計(jì)進(jìn)行不同儀器的安裝，多功能型更合適不同環(huán)境運(yùn)用不同儀器設(shè)備。

圖4：儀器保護(hù)倉

3.1.1 內(nèi)部構(gòu)造

由于儀器作業(yè)過程中與無人機(jī)一同會(huì)受到振動(dòng)，在儀器倉內(nèi)部設(shè)計(jì)采用EVA泡棉（圖5）材料做內(nèi)襯對振動(dòng)帶來的影響進(jìn)行緩沖。

圖5：Eva泡棉

3.1.2 外部構(gòu)造

保護(hù)倉外部通常會(huì)受到沙石等意外情況的磨損，綜合分析外部應(yīng)當(dāng)使用ABS硬塑料來制作。ABS塑料稱為工程塑料，其是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯組成的三元共聚物，于EVA泡棉類似都是具有耐腐蝕、耐高溫、高彈性、高韌性等優(yōu)點(diǎn)。ABS之所以被稱為工程塑料是源于在汽車飛機(jī)等眾多機(jī)械行業(yè)都得到廣泛應(yīng)用，堅(jiān)硬的特性使其遍布各行各業(yè)的產(chǎn)品當(dāng)中。在安全性能方面考慮在遇到危險(xiǎn)情況下，堅(jiān)硬的外殼以及其高強(qiáng)度的韌性能提供一定的緩沖能力，即使外部受損內(nèi)部也能把損傷降到最低。

3.2 氣墊緩沖裝置設(shè)計(jì)

圖6為儀器保護(hù)倉與氣墊緩沖裝置，用于保護(hù)云雨粒子探測器，使用定制連接快拆卡扣與飛機(jī)頂部固定，對于該儀器我們在使用過程中只將探測部分露出，儀器倉四周安裝氣墊緩沖裝置在遇到緊急情況時(shí)感應(yīng)器檢測到加速度過大，傾斜角超過90°就會(huì)打開氣墊，防止一切因素給儀器造成的損害。

圖6：儀器保護(hù)倉與氣墊緩沖裝置

3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

儀器保護(hù)倉外部安裝氣墊緩沖裝置，同樣由ABS材料制作的外殼，位置安裝在倉體側(cè)面，盒體中心位于保護(hù)倉底部重心的外部中心。

3.2.2 電路設(shè)計(jì)

氣墊控制器通過接收傾斜角傳感器以及加速度計(jì)傳感器提供的信號進(jìn)行緊急啟動(dòng)，地面操作人員也可以通過無線模塊發(fā)射信號到接收器上進(jìn)行手動(dòng)啟動(dòng)。

信號傳輸示意圖如圖7所示。

圖7：信號傳輸示意圖

氣象無人機(jī)在正常作業(yè)期間，當(dāng)無人機(jī)的傾斜角傳感器或加速度傳感器檢測到異常狀況下反饋給總控，總控對氣墊緩沖裝置傳輸信號使其啟動(dòng)保護(hù)，同時(shí)給地面控制傳輸信號并提示異常情況；保護(hù)倉設(shè)有獨(dú)立的傳感器，任意傳感器檢測到異常后會(huì)同時(shí)傳輸信號至氣墊緩沖裝置及總控，避免當(dāng)總控發(fā)生異常情況下也能啟動(dòng)保護(hù)裝置。地面控制端可根據(jù)人為判斷獨(dú)立控制氣墊緩沖裝置的啟動(dòng)。

4 快拆裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

快拆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)儀器實(shí)際的使用需求能快速對作業(yè)完成后的設(shè)備進(jìn)行替換。底座與無人機(jī)連接，連接板與保護(hù)倉連接，通過配合位置進(jìn)行快拆安裝實(shí)現(xiàn)。如圖8所示。

圖8：快拆結(jié)構(gòu)示意圖（關(guān)閉）

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)根據(jù)當(dāng)前氣象探測現(xiàn)狀與工作環(huán)境等因素結(jié)合進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出滿足需求的氣象探測無人機(jī)，針對實(shí)際工作環(huán)境可能出現(xiàn)的異常問題進(jìn)行逐一改進(jìn)，通過多次模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證可行性，實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的情況進(jìn)行記錄與完善設(shè)計(jì)。最終實(shí)現(xiàn)高效且安全的氣象探測無人機(jī)作業(yè)。