一种新型无人机降落伞弹射装置的开发与研究

邓杰文 胡鑫 姜路冲

摘 要：无人机是目前的研究热点之一，可以实现自动巡航、自动悬停、自动追踪等功能，在测绘与调研等含行业中具有广泛的用途。但无人机存在可能坠落的风险，当无人机在人员密集地区因故障坠落时，可能造成意外事故。因此本文中研发了一种无人机降落伞弹射装置，在无人机出现故障快速下坠时，可以触发弹射装置使无人机缓慢坠落，对于降低因坠机导致的意外事故以及防止无人机因坠机损坏等具有重要作用。

关键词：无人机;降落伞;弹射装置;开发;研究

在电网巡检作业中，无人机可代替人完成大量的工作，搭载扫描雷达、紫外摄像机、喷火清障装置的无人机可在野外的电网建设作业中完成勘察、场景扫描以及清除障碍等工。而这些无人机通常成本高昂，如发生意外导致坠机，则无人机损坏可能会带来巨大的损失。因此在电网巡检的无人机中搭载弹射装置降落伞，对于降低电网建设工作中无人机的损坏率，提升电网建设水平有巨大帮助。

一、无人机降落伞开伞原理

（一）传统开伞技术

传统的开伞技术是检测到无人机发生故障而快速下坠时将降落伞释放进行开伞，但这种开伞方式需要一定的时间，而无人机在低空下坠到地面的时间通常非常短，因此经常出现来不及开伞导致的坠机事故。要想真正确保降落伞能够保障无人机的安全，应当采用能够瞬间反应的弹射开伞装置。

（二）弹簧开伞

弹簧开伞是利用固定在降落伞中的弹簧起到将降落伞弹出的装置，当检测到无人机快速下坠时，弹簧便会瞬间将降落伞弹出。弹簧开伞的方式简单便捷，成本较低，但这种方式仅能用于固定翼无人机中，且装置的灵敏度较差，经常出现无法弹出的问题。

（三）爆破开伞

爆破开伞是一种利用炸药弹出降落伞的装置，在大疆公司生产的部分无人机中有搭载，这种装置利用炸药爆炸所产生的高压气体将降落伞弹出。但爆破开伞所需的装置结构十分精密，组装成本非常高，难以适用于大多数使用无人机的行业。

二、高压气体无人机降落伞弹射装置

本文吸收了上述几种无人机开伞装置的优点，开发了一种利用高压二氧化碳气体弹出降落伞的装置，与上述的几种弹射装置相比，本文所设计的装置结构更加简单，但保证了可靠性和灵活性，适用于大多数应用无人机工作的行业。

（一）装置原理

弹射装置的整体结构为圆台型结构，其外观如图1所示。

其内部结构如图2所示，其中单片机为检测装置，用于检测无人机是否发生快速下坠现象，当检测到无人机正在快速下坠时，单片机带动电机的凸轮，凸轮扣动扳机击发二氧化碳瓶，瓶中的高压二氧化碳气体在受到击发后冲击降落伞上盖，将上盖击飞从而快速弹出降落伞。

（二）技术要求

技术的要求包含坠落检测与触发模式两部分，其中坠落检测判定为无人机的倾斜角度超过60°，或重力加速度超过0.5G且持续时间超过1.6秒时，即判定为无人机正在坠落，此时单片机开始工作，控制电机发动弹射流程。

降落伞的弹射有自动触发和手动触发两部分，自动触发即通过检测无人机的运行状态由单片机触发;此外在无人机操控员的控制器上搭载有手动触发装置，当操控员观测到无人机即将坠落但自动触发装置未生效时，可立即按下手动触发按钮手动触发装置，弥补自动触发装置的缺陷。

（三）技术规格

（1）本无人机降落伞弹射技术适用于固定翼无人机以及常见的多旋翼无人机，无人机的最大起飞重量应达到20kg以上。

（2）无人机自动触发弹射装置要求在无人机发生坠落1.6秒内进行感应，降落伞应在感应后1秒内弹射并完全展开，即无人机从开始坠落到降落伞展开的时间不得超过2.6秒。

（3）降落伞包含主伞与牵引伞两部分，其中牵引伞应当先于主伞展开，协助主伞完成缓降工作。

（四）技术优势

（1）该装置采用高压气体弹出降落伞，原理与大疆公司的炸药弹射相似，但由于无炸药成分，因此更加安全。

（2）相比于弹簧弹射，高压气体弹射采用单片机检测无人机坠落状态，可靠性更高，同时可通过冗余装置（搭设两个单片机检测装置）进一步增加装置的可靠性。

（3）相比于炸药弹射的技术，高压气体弹射装置结构更加简单，组装成本更低，可为大多数使用无人机的行业提供稳定可靠的高性价比方案。

（4）采用自动弹射与辅助弹射的技术，可有效降低无人机操控员的工作压力。

三、结论

为解决电网建设工作中使用无人机引起的无人机坠机问题，本文研发了一种基于高压气体的降落伞弹射装置。目前无人机降落伞弹射所应用的技术有传统开伞技术、弹簧弹射技术以及炸药爆破技术，而本文所研究的高压气体弹射技术利用单片机检测无人机的飞行状态，并在其发生坠机事故時击发撞针，利用高压二氧化碳气体将降落伞弹出。本文所设计的装置具有成本低、高安全性、高可靠性、结构简单、反应迅速等优点，期待能够在我国无人机生产与研发工作中得到广泛应用。

参考文献：

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[2]张鼎宸，徐显超，黄盼伟，卢翔.固定翼无人机用降落伞及安全气囊的研发[J].科技视界，2017（07）：38-39.

项目名称：清远供电局职工技术创新项目：多旋翼无人机应急伞降保护装置（项目编号：031800KK52190070）