旋翼无人机方舱结构设计

2018-09-19

现代机械 2018年4期

关键词：舱门推杆方舱

(天津中翔腾航科技股份有限公司，天津300301)

0 引言

随着旋翼无人机技术的发展，其在工业及生活中的应用越来越广泛，比如在航拍，电力巡线，地图测绘，灾害监测等诸多民用领域取得很好的实际使用效果，并得到了用户的普遍认可。

目前旋翼无人机由于自身特点的局限同时存在一些不足之处，如负载不能过大，巡航时间短等。这给用户带来了不良的使用体验。

为克服这类问题，本文介绍一种专用于旋翼无人机的方舱，该方舱结构适用于无人值守的工作方式，舱门可以自动开启和关闭，无人机可自主降落于方舱内部的平台上，内部设置自动充电装置。当旋翼无人机执行任务返回后可自动充电为再次执行任务做准备。

此方舱配置于偏远地区进行电力巡线可以起到很好的效果。

1 功能分析

多旋翼无人机方舱采用无人值守式[1]的工作方式，其主要工作步骤均为自动化。为实现无人机自主起降，将其功能分解为：舱门自动开启结构，旋翼无人机自动定位平台机构[2]以及平台升降机构[3]。主体框架为钢结构，外围设置太阳能电池板架，安装太阳能电池板，利用太阳能给无人机电池和其它动作部件提供电能。因此方舱主要动力源为电能，其动力装置主要采用电动缸作为动力装置。执行机构采用连杆传动方式，最终实现方舱的所有动作。

在满足功能要求的条件下，对外壳和框架的设计尽量优化。鉴于方舱使用地点均为偏远地区及交通不便的地方，尽量采用简洁设计，方便其组装运输。

2 结构方案的选择

在对方舱功能和使用环境条件定位后，提出以下二种方案实现预设功能。

方案1：如图1，方舱门为向2侧打开，使用电动缸做动力元件，为解决悬空问题在2侧增加辅助支撑轨道。无人机的起降平台的升降也通过置于平台前方的电动缸推动。起降平台上自动点各无人机结构由4根先后动作的推杆执行，无人机降落后由于自身GPS定位误差及风力的影响会偏离中心，推杆设置在有效降落范围处，无人机降落后传动机构使推杆推动无人机定位在平台中央。外形采用框架结构，安装金属板材。

图1 方案1 图2 方案2

方案2：如图2所示，方舱门向2侧打开嵌入舱体内部通过电动推杆和连杆机构实现。无人机平台升降改为剪叉式升降机构，以减少方舱整体高度。无人机定位机构采用推杆式，传动方式改为在平台侧边安装线性模组作为动力源，推杆另一端辅助滚动支撑，短推杆安装在长推杆上做跟随动作，在长推杆定位后短推杆动作，使无人机定位到平台中心。

3 结构设计步骤

经分析，方案2要优于方案1，选择方案2做进一步研究。在初步构思并实际调研考察一些相关数据后，利用单位模型软件建立原始机构模型，反复进行模拟在SolidWorks中建立零件模型，进一步细化后制作其实体模型。初步设定此方舱的大小(长×宽×高)为2000 mm×2000 mm×1100 mm。主要模块组件为无人机平台，举升机构，以及舱门开闭机构。

如图3所示为方舱机械结构整体图，图4所示为带有太阳能电池板附件结构图。

图3 方舱机械结构图4 带有太阳能电池板附件结构图

舱门向2侧打开分三级通过电动推杆带动连杆机构实现，电动推杆铰接在固定板上。支架固定在支座上面2侧直接支撑部分舱门。通过电路程序控制电动推杆实现方舱门的自动开启和关闭。举升机构采用电动缸为动力源的剪叉举升机构，当舱门打开后举升机构举升平台到方舱口处，辅助无人机的起飞与降落[4]。

图5 自动充电结构

自动充电结构如图5，在无人机的长推杆与无人机脚架接触面设置导电铜块结构，通过程序控制线性模组使长推杆和脚架接触面产生接触压力，通过铜的面接触接通充电线路，从而完成无人机的自主充电。

主箱体其它的空间放置其它相关附件及电气元器件和储能电池。

4 主要部件有限元分析

图6 剪叉式升降结构

剪叉式升降结构，由于承受起降平台和无人机及定位组件的重量，因此剪叉片成为方舱主要功能的关键部件，其结构形式如图6。

电动缸作为动力源推动剪叉片，实现平台的升降。在此过程中剪叉片为主要承载负载的元件。

采用工程分析软件ANSYS来模拟剪叉片的受载情况，对其进行强度分析，从而确定设计是否合理，及时发现设计缺陷。

剪叉片的材料确定为Q235，其屈服强度为235 MPa，泊松比μ=0.33，弹性模量E=210 GPa。对其用工程分析软件建模并定义材料属性。采用Solid185单元对剪叉片进行网格划分。按照其运动形式左端固定铰接点为约束处，右端支撑负载，换算后负载对右端铰接点的压力为F=250 N，施加约束和载荷。经过求解得到应力分布图，如图7。