民用轻小型无人机跌落测试试验及损伤特性研究

2021-12-02郭亚周刘小川白春玉张永杰黄颖杰王亚锋

振动与冲击 2021年22期

郭亚周，刘小川，白春玉，张永杰，黄颖杰，王亚锋

(1.中国飞机强度研究所结构冲击动力学航空科技重点试验室，西安 710065；2.西北工业大学航空学院，西安 710072)

民用无人机与消费者需求和工业需求紧密连接，在公众消费和工业应用等各种领域内呈现爆炸式的发展，在无人机丰富人们生活、改变行业模式的同时，由于受到无人机自身的可靠性和操作人员的专业性等方面的制约，因此厂方即使对防撞算法和防撞系统的关注度很高，但对于恶意或者失误等突发状况的安全性问题仍然是不可避免的。无人机碰撞伤人、损物的事件时有发生，安全问题也逐渐成为公众、市场和政府关注的焦点[1-3]。

我国在《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》[4]中以质量标准作为指标，综合无人机的其他性能指标，将无人机规划为微型、轻型、小型、中型和大型无人机，其中轻小型无人机主要指的是空机质量不大于15 kg，最大起飞质量不大于25 kg的无人机。据不完全统计民用轻小型无人机占民用无人机的85%以上的市场份额，同时由于轻小型无人机自身质量轻、速度快、操作门槛低等特点，也是最容易造成安全事故的无人机[5-6]。

正是基于这种民用轻小型无人机碰撞安全现状，目前国内外都出台了不少轻小型无人机管控条例，其中有代表性的是FAA出台了关于小型无人机法规(第107部分)[7]，对无人机的质量、速度、最大飞行高度、飞行员操作飞行条件等进行了明确的规定；我国民用航空局制定的《轻小无人机运行规定》(试行)[8]中也有类似规定。但是这些规定中都受到现有技术基础的制约，以至于对于无人机的碰撞安全的底限不明确，从而无法明确不同类型无人机的伤害等级和伤害水平，进而无法细化无人机适飞空域，可能会一定程度上影响无人机产业的高速健康发展。

因此国内外不少机构在近几年结合工业方、消费者、市场和管理部门等多方需求，开展了不少关于民用轻小型无人机碰撞安全相关的研究，碰撞安全主要分为空中碰撞和地面碰撞，其中针对无人机空中碰撞研究，2017年11月FAA在其官网上发布了《无人机系统空中撞击严重性评估最终报告》[9]，该报告对无人机和民航客机的碰撞场景进行了数值模拟和部分部件试验，并且基于数值模拟结果给出了无人机对客机撞击和损伤等级评估，结果表明等冲击能量的情况下，无人机撞击破坏力显著高于鸟体；Meng等[10]基于经试验验证的仿真分析研究了无人机与民航飞机的碰撞响应，结果表明无人机的硬度比动能会对撞击损伤造成更大的影响，同时发现无人机电池在撞击过程中可能是潜在的着火源。Lu等[11]研究了五种轻小型无人机和飞机风挡玻璃的碰撞严重性，研究结果表明无人机的姿态、材料、类型、质量、速度等因素均会对飞机挡风玻璃碰撞损伤造成影响。针对地面碰撞，主要指无人机与地面人员或其他地面财产的碰撞，FAA于2019年完成了无人机地面碰撞性研究，并且发布了A14：无人机地面碰撞严重性评估报告[12]，研究通过试验和仿真分析相结合的方式系统的研究和评估了无人机对地面人员的安全威胁。Campolettano等[13]通过开展三款无人机最大速度水平飞和10 m/s跌落撞击地面人员试验研究了无人机可能会对地面人员造成的风险范围，结果表明无人机水平飞对地面人员造成的伤害要远小于跌落造成的伤害，且伤害随着无人机的质量增加而逐渐增大。Koh等[14]研究了不同质量无人机在不同跌落高度可能对人体头部造成的伤害严重程度，基于头部损伤标准(HIC)和简明伤害标准(AIS)估算了无人机操作的质量阈值。国内目前已经逐渐开展了对于无人机与空中载人飞机的碰撞安全性研究，无人机与飞鸟不同，无人机一定程度是可控的，且无人机在机场附近的飞行场景较为单一，因此无人机与空中飞机的碰撞可以在一定程度上通过机场区域内的限飞，电子围栏等一系列措施来极大程度的避免。而对于无人机对地面人员的碰撞伤害评估研究则仍然处于起步阶段，无人机在城市上空、建筑周围、人群上空飞行环境和场景较为复杂，由于对无人机因不可控因素跌落产生的最大伤害底限不明确，对无人机的管控造成了较大的阻碍，也可能出现对于无人机飞行管理一刀切的情况，因此对于无人机在飞行故障等极端不可控情况下会对地面人员或财产可能造成的伤害进行研究评估显得刻不容缓。

本文正是基于这种目的，通过自由落体的方式开展了某两款民用轻小型无人机的跌落测试试验，采用高速摄像记录了试验过程中无人机的跌落撞击响应和变形失效过程，分析了无人机跌落过程中的跌落撞击载荷和破坏模式，初步的分析了不同类型、不同质量的无人机跌落产生影响的差异性，试验和评估结果为轻小型无人机相关飞行标准和规范的制定以及轻小型无人机的安全性设计提供了建议和技术支持。

1 试验

1.1 试验件

本试验的试验件采用的是某款民用轻小型三旋翼无人机以及某款民用轻小型四旋翼无人机。如图1(a)所示三旋翼无人机整机质量为20.2 kg(带电池)，无人机最大机体尺寸(不包含叶片)为：1 250 mm×1 180 mm×600 mm，该无人机电池位于无人机结构内部，其中起落架主要是一体化铝制结构，机臂和主板都是碳纤维。如图1(b)所示四旋翼无人机整机质量为4.69 kg(带电池)，无人机最大机体尺寸为883 mm×886 mm×398 mm(带叶片)，该无人机电池主要是以卡扣的形式外挂在无人机的供电器上，碳纤维夹芯材质的无人机起落架分为左右两侧，并以卡槽的形式斜插固定在机身与起落架之间的转接头上。

图1 无人机试验件

1.2 试验方法

试验主要通过自由落体跌落方法进行，如图2所示，由于三旋翼无人机体型相对较大，因此需要专用的跌落夹具进行跌落试验，无人机试验件被固定在跌落夹具上，跌落夹具上安装有三个用于固定无人机的电磁释放销，释放销末端的叉形销插入无人机电机销轴内来达到固定的目的。由于该无人机是三旋翼无人机，在机臂延长线与夹具交叉处安装有三个吊环，采用吊绳固定，并将吊绳归至一点，采用单点起吊的方式将试验件固定好，由起吊装置将试验件提升至目标高度，并且适当调整其姿态使其对准撞击平台的中心区域，试验各个系统准备完毕好后试验件由电磁释放装置释放，自由垂直跌落撞击测力平台，同步触发各个测试子系统，并在试验件完全静止后结束该次试验。四旋翼无人机由于体型相对较小，因此直接采用四根吊绳分别固定在旋翼臂并归至一点的方法进行起吊和释放。

图2 无人机跌落测试装置图

试验中用的主要设备是试验提升释放系统(吊车)、测力平台、高速摄像机、数据采集设备、传感器(加速度传感器、载荷传感器)等，并且试验中用到的数据采集系统均有校准/标检证书且在有效期内。其中测力平台由于自身台面大小不足以涵盖整个三旋翼无人机，因此在三旋翼无人机跌落试验过程中为了保证无人机跌落时不会因为机身倾斜而跌出测力平台台面外，因此需要加装扩展台面，扩展台面通过螺栓与传感器连接。

结合FAA的无人机地面碰撞严重性报告以及Campolettano等研究报告和论文中提及的无人机跌落试验工况，本试验无人机目标跌落速度为10 m/s，无人机目标提升高度为5 102 mm。

无人机跌落试验测试项目主要包括跌落撞击载荷、跌落姿态、跌落速度、无人机变形响应。撞击载荷由传感器测量，传感器采样率为10 kHz，跌落姿态、跌落速度、无人机变形响应等则由高速摄像系统测量记录，其中高速摄像布置(俯视示意图)，如图3所示，其中正面高速摄像为测速和观察用，侧面高速摄像为辅助观察用，正面高速摄像帧率设置为4 000 Hz，侧面高速摄像帧率设置为2 000 Hz。

图3 高速摄像机位置

2 试验结果分析

2.1 无人机变形响应

2.1.1 三旋翼无人机跌落动态响应过程

通过高速摄像可以较为清晰的看出无人机跌落过程中的整个响应过程，提取出其中几个较为典型的响应时间，如图4(a)～图4(j)所示分别为无人机跌落时的正视图和侧视图。正视图中可以较为清晰的看到无人机滚转方向的形态变化，侧视图则可以较为清晰的看出俯仰方向和机臂的形态变化。

由图4(a)和图4(b)中可以看出，无人机跌落时由于投放时跌落姿态的变化，导致其由左起落架单点先触地，且三个旋翼臂两个在上，一个在下。由图4(c)和图4(d)中可以看出，无人机触地15 ms时，起落架形态发生了较大程度的变化，而机身和机臂则变化不明显，当无人机触地后，由于无人机俯仰角的缘故，后侧起落架率先发生屈曲变形，无人机机身部分由于惯性原因，并未有较为明显的形态变化，整体呈现倾斜状的嵌入在起落架的变形槽内。由于无人机跌落时滚转角的缘故，左侧起落架向内侧变形，变形点受压，右侧起落架则向外侧变形，变形点受拉。如图4(e)和图4(f)所示，无人机触地25 ms时，起落架继续发生变形，此时正面起落架右侧已经产生了较为明显的断裂，近地点机臂将要触地。如图4(g)和图4(h)所示，无人机触地50 ms时，起落架已经发生了严重的扭曲变形，此时机身动能也有所减少，顺着起落架方向发生了姿态偏转，正面起落架右侧断裂口持续变大，即将发生断裂，此时近地点机臂触地并开始反弹。如图4(i)和图4(j)所示，无人机触地100 ms时，正面起落架右侧已经发生了完全断裂，左侧起落架发生了大面积较为严重的屈曲变形，无人机形态开始逐渐与起落架对应，近地点机臂开始反弹，正面右侧机臂向下逐渐倾斜，无人机整体开始趋于稳态。

图4 无人机跌落的动态响应

2.1.2 四旋翼无人机跌落动态响应过程

同样的，针对四旋翼无人机我们提取出其中几个典型的响应时间，如图5(a)～图5(j)所示分别为无人机跌落时的正视图和侧视图。

从图5(a)和图5(b)可以看出，无人机跌落时发生了姿态变化，此时无人机并不是水平跌落的，由于其在空中的姿态变化，导致其由左侧起落架先触地。

从图5(c)和图5(d)可以明显看出，无人机触地15 ms时，其左侧的起落架由于其本身的结构特性和强冲击力作用，其左侧起落架直接从根部被“剪断”，而起落架的其他部分并未有明显的损伤和破坏，右侧起落架也逐渐被掰开，无人机姿态进一步发生倾斜。

如图5(e)和图5(f)所示，无人机在触地25 ms时，右侧起落架被从根部“掰断”，无人机底侧电池供电器接触地面并受碰撞后产生损伤，并且由于供电器的损伤使得无人机电池开始从卡扣中脱落，除此之外，右后侧的无人机机臂也由于惯性作用开始向下发生折断。

如图5(g)和图5(h)所示，无人机在触地50 ms时，无人机继续与地面碰撞，右侧电池彻底从夹板中脱出，右侧起落架被掰断后向右侧水平飞出，右后侧的无人机机臂彻底折断，在机臂内部线路的拉扯作用下不足以飞出，此时左后侧的无人机机臂也在惯性作用下开始与机身发生相反方向的运动，有折断趋势。

如图5(i)和图5(j)所示，无人机在触地100 ms时，无人机开始发生了反弹，这时左后侧机臂由于惯性效应，开始向上方折断，无人机准备进入二次跌落状态，并且跌落过程逐渐趋于稳态。

图5 无人机跌落的动态响应

综上所述，四旋翼无人机由于其结构布局、材料与三旋翼之间具有差异性，因此在同样跌落速度撞击下其破坏模式和跌落响应各不相同，四旋翼无人机的起落架在跌落过程中几乎不起到能量吸收作用。而且电池由于外挂在供电器上，在起落架完全失效后，供电器几乎无任何缓冲的与地面接触，电池受冲击后飞出，因此整体破坏情况要比三旋翼无人机严重的多。

2.2 无人机主要损伤分析

2.2.1 三旋翼无人机

2.2.1.1 起落架

无人机垂直正姿态跌落时，损伤最严重的部件就是起落架，起落架的承载和吸能特性，决定了跌落过程中无人机机体的安全性，如图6～图8所示，为本次试验中无人机起落架的变形和损伤情况。

图6 无人机整体变形损伤

图7 左侧起落架

图8 右侧起落架

由图中可以看出，无人机起落架左侧主要向内弯折，右侧则是向外弯折，右侧变形相比左侧严重。左侧起落架根部向上弯折，下部向内弯折，左侧起落架的响应主要是屈曲变形，仅在起落架中部变形部位产生了部分破坏，但并未使得左侧起落架失稳，尚有部分承载能力。

右侧起落架变形和破坏均比较明显，破坏主要集中在起落架的根部，由图4(e)中可以看出在跌落初期起落架两侧变形基本上一致，而随着跌落的进行，右侧起落架前侧根部的承载能力不足，导致其先行出现了断裂，从而使得右侧起落架开始出现失稳，整体无人机载荷开始像左下方倾斜，后续过程中右侧起落架前侧根部断裂继续增大，带动后侧根部向上翻转，迫使其在跌落过程中发生断裂，此时右侧起落架彻底失稳，无人机机身出现大幅度倾斜，仅靠左侧起落架后部连接块支撑。

整体而言，起落架在无人机跌落过程中起到极其重要的吸能降载作用，使得本次试验中无人机跌落后仍能够保证其完整性。

2.2.1.2 机臂

由图9所示，无人机右侧机臂在跌落过程中出现了损伤，损伤主要集中在机臂的下半部分，且损伤并未导致机臂的断裂，机臂尚有部分承载能力，但机臂的损伤将使得无人机只有在更换机臂后才能够继续使用。

图9 无人机机臂破坏与损伤

初步分析后发现主要有两方面的原因：①由于无人机机臂基本处于悬臂状态，机臂长度较长，且机臂端部的电机质量较大，使得无人机在跌落过程中会产生较大的机臂弯矩，这个是机臂断裂的最主要原因；②由于左侧起落架向内屈曲变形，从而使得起落架上部向上拱起，拱起部分对机臂造成向下运动的阻力，在跌落冲击过程中机臂无法进行有效的缓冲，在巨大的冲击力作用下，左侧机臂由下至上开始产生断裂，后续冲击力减缓使得机臂并不足以完全断裂，机臂处于半断裂状态。

总体而言，机臂的损伤虽然相比起落架损伤较小，但就无人机自身性能和维修费用而言，机臂的损伤显然比起落架更不可接受，因此针对此给出两个建议：①优化无人机机臂长度，适当改善无人机机臂材料；②适当改进无人机夹持部分的结构，可以加入应急状态下的机臂缓冲装置。

2.2.2 四旋翼无人机

四旋翼无人机跌落时产生主要破坏的部位有无人机起落架、机臂、无人机供电器，电池。其中尤以起落架、机臂和供电器破坏最为严重，完全影响了无人机的正常运行能力。

2.2.2.1 起落架

如图10所示，两根起落架均在根部连接块处发生断裂，这是由于连接块与起落架材料不同，起落架主要采用复合夹芯材料，而机臂连接块部分的材料则是工程塑料，材料强度要远远低于起落架管材料，因此起落架在跌落过程中由于两侧机臂在撞击时受到弯矩作用，因此机臂都是从连接块处破坏断裂，而起落架则仍然完好的插在连接块内。

图10 起落架破坏情况

由以上现象可以看出，起落架在该无人机中只起到了一定的起降支撑作用，而在无人机故障跌落安全方面并未起到良好的保护和吸能作用。其中原因主要有三个方面：①无人机起落架不是整体式，因此两侧起落架无法传递载荷来削弱吸收撞击能量；②无人机起落架呈现细长管状，仅通过一侧插入固定，在受到冲击后，起落架总在承受弯矩，很容易就会被“掰断”；③无人机通过连接块将起落架与机身连接，连接块与机身以螺栓进行刚性连接，且连接块自身强度和结构不足，使得连接块不具备缓冲能力，从而在很短暂的时间内就发生破坏。

2.2.2.2 机臂

由于无人机在跌落时并不是处于完全水平状态，从响应过程可以看出无人机跌落时，有整体部分前倾趋势，因此机臂损伤主要集中在后侧两机臂。

如图11所示损伤主要折断在根部位置，无人机机臂在跌落过程中相当于悬臂结构，且在悬臂末端有质量集中的电机，无人机在跌落时由于机身和机臂两者之间的惯性效应，且机臂根部连接的材料呈现硬而脆的材料特性，不足以承受住跌落时的惯性力而折断。

图11 机臂破坏情况

2.2.2.3 电池及其无人机供电器

四旋翼无人机破坏最严重的部位之一就是下侧供电器，供电器是除了起落架外最先碰撞地面的机身结构，而无人机起落架又由于自身特性导致其能量吸收特性较差，几乎在触地的一瞬间，起落架就已经发生了折断，因此当供电器在撞击地面时机身仍然还有大量的动能，这些动能几乎都由供电器直接承受。如图12所示，可以看出供电器发生完全断裂，断裂部分整体翘起，内部的电路板也发生了部分损伤并且暴露在外面。这是由于无人机供电器内部没有缓冲器件，供电器的壳体也不足以承受住巨大的冲击力，因此产生了极为严重的破坏。

除此之外，从图12中可以看出电池已经发生了一定程度的破损，电池安全受到了威胁，因此在更加严峻的工况下可能产生更为严重的破坏，电池与其他几种质量块的性质不同，是属于高风险的含能结构材料，当电池充满电时跌落后受冲击时很有可能产生着火甚至是爆炸，威胁无人机周边人员和财产的安全。

图12 电池组件损伤情况

2.3 跌落撞击载荷分析

2.3.1 三旋翼无人机

由于跌落过程中台面面积不够所以加装了扩展台面，并且扩展台面通过螺栓与测力平台连接，此时扩展台面的惯性效应可能会对测力平台测出的载荷结果造成影响，因此在试验前在扩展台面底部加装了加速度传感器，用于测量扩展台面的台面加速度，进而消除因台面加速度而对撞击载荷产生的影响。如图13所示为测力平台实际测量所得的撞击载荷曲线。扩展台面的质量为120 kg，而真实撞击载荷应该是实测撞击载荷与扩展台面惯性力之间的差值。如图13为实测撞击载荷和真实撞击载荷曲线对比，由图中可以看出实测撞击载荷和真实撞击载荷两者几乎一致，只有在一些峰值位置出现了一部分微小的偏差，因此扩展台面自身的惯性效应而对撞击载荷造成的影响几乎可以忽略不计。

图13 三旋翼实测与真实跌落载荷对比图

结合无人机跌落过程中的高速摄像和无人机跌落撞击载荷曲线可知，在无人机触地后的35 ms内起落架发生变形响应，并呈现双峰式的撞击载荷响应模式，第一个峰值出现的原因是因为在无人机触地过程中伴随着起落架撞击和屈曲变形，第二个峰值出现的原因是因为起落架跌落冲击力超过起落架屈服点的屈服极限，机身和机臂在惯性作用下使得起落架发生断裂，起落架在硬化后降载能力下降，无人机的惯性产生了二次冲击。因此当无人机以相对垂直正姿态跌落时，铝合金起落架能够起到较好的吸能作用且能最大程度的保护无人机机身不被破坏。

在无人机触地后的35～50 ms时出现第二个较大的撞击载荷峰值，这是由于无人机的姿态导致了其近地点机臂在此时接触地面，机臂上的电机以一定的速度“砸”向测力平台，使得撞击载荷出现了较大的波峰。这就表明无人机电机在跌落过程中产生的伤害要比其他部件伤害要大，该工况下无人机电机即使在起落架吸收了一波能量的前提下撞击地面后产生的载荷大小也几乎与跌落初始峰值一致，因此无人机大质量部件具有不容忽视的撞击风险。

从无人机跌落的动态响应过程中可以看出，在无人机触地后50 ms后，无人机自身变形大部分基本上已经结束。

2.3.2 四旋翼无人机

如图14所示为四旋翼无人机跌落撞击载荷，无人机主要是呈现单峰式的撞击模式，由图中可以看出，在撞击初始阶段无人机载荷有两个波动，主要无人机姿态并非完全水平，两个起落架一前一后触地断裂时产生的载荷。

图14 四旋翼无人机跌落载荷

八字形的无人机起落架结构形式，无人机自身跌落时几乎与地面是处于硬性接触，而起落架由于其自身特性不会产生变形吸能，因此无人机机体此时仍然还有大量的动能，继续向下运动使得供电器“砸”向地面，此时无人机机身结构与地面接触，进而在25 ms时达到载荷峰值。

从图中可以看出，两种无人机的跌落载荷最大值具有较大的差异性，四旋翼无人机虽然质量比三旋翼无人机质量小，但是其峰值载荷明显大于三旋翼无人机，这表明在无人机故障跌落时起落架起到了不可忽视的能量吸收作用，三旋翼无人机在跌落前半程没有集中质量块和地面出现硬接触，虽然后半程有电机撞击地面，但是此时的能量绝大部分都已经被起落架吸收，因此触地载荷并不大。而四旋翼在跌落过程中起落架能量吸收相对较少，使得连接机身的供电器携带者大部分动能直接与地面硬接触，载荷相对较大。