物流无人机起降平台天窗开合装置设计

2022-07-06周思源张志强白龙

北京信息科技大学学报(自然科学版) 2022年3期

周思源，张志强，白龙

(北京信息科技大学机电工程学院，北京 100192)

0 引言

无人机物流系统在解决快递配送最后一公里和特殊环境配送中应用广泛，目前对于将无人机应用于物流行业，国内外均已有相关尝试[1-2]。

在物流行业中，无人机通常与智慧物流仓库配合使用，而无人机起降平台是智慧物流仓库的重要组成部分。在无人机起降平台上，物流无人机经常需要完成精准降落、定位锁死、卸下货物等操作[3]。同时由于无人机本身负载能力有限，在特殊环境情况下需要完成充电或更换电池等操作[4-5]。起降平台目前有露天式和封闭式两种。封闭式起降平台具有防风防雨的功能，有更好的环境适应能力，更久的使用寿命，相对来说能够更好地保证无人机起降平台的正常工作。

国内外对于无人机起降平台的天窗开合装置已有相关研究：王胜放等[6]提出了一种多旋翼无人机起落站系统，将系统分为起落站模块、任务执行模块及监控平台3个部分，其起落站开合门采用的是丝杠滑台驱动连杆的天窗结构，主要起防雨防尘作用；星罗智能科技公司、草莓创新公司已有相关成熟产品，但其只能与小型无人机适配，不适用于中大型物流无人机[7-8]。梁璐莉等[9]设计了一种物流无人机车载仓库起降辅助系统，其仓库开合门采用抽屉式开合结构，能够支持无人机在7级风力条件下完成正常起降，主要运用于方形仓库，但抽屉式的结构使其打开后占地面积倍增。目前国内外对于无人机起降平台的天窗开合装置的研究还不够深入，所以设计一种能够适应起降平台尺寸并满足防风防雨功能要求的新型天窗开合装置十分必要。

本文针对无人机起降平台，设计了一种天窗自动开合装置，能够防风防雨，并为物流无人机起降平台内部结构提供保护。

1 天窗开合装置整体结构设计

1.1 整体结构方案

在设计天窗开合装置时，应充分考虑物流无人机及起降平台大小，在不与无人机产生干涉的同时满足整个起降平台面积覆盖要求。本课题所适用物流无人机及物流智慧货仓起降平台结构如图1所示。目前使用的物流无人机航程为25 km，载重为5～15 kg，展开周长为2 m，高为0.9 m，属于中大型无人机。智慧物流货仓采用圆柱形结构，其圆周直径为3 m，高2.5 m，相应地其降落平台也为圆形，圆周半径为3.6 m。

在设计天窗开合装置时，考虑到起降平台为圆形，为将其全部覆盖，拟将天窗整体结构设计为正十二棱锥，并将天窗划分成4个部分，每部分分别占棱锥的3个面，各个部分相互搭接。当天窗闭合时组成完整正十二棱锥。同时根据所适用无人机及起降平台尺寸要求，利用SolidWorks软件对天窗开合装置进行三维建模。装置整体结构方案如图2所示。

图1 物流无人机及智慧仓库起降平台结构

图2 天窗开合装置整体结构方案

天窗开合装置由4片单独的天窗罩板组成，分别为一个罩板A、两个罩板B和一个罩板C，闭合时3种扇叶结构相互搭接，如图3所示。

图3 天窗开合装置组件

各个罩板底边为一个十二边形的3条边，最后闭合时，整体收拢为一个十二面锥桶，从而覆盖整个起降平台；上部则拼接为圆形，由罩板A上的顶帽覆盖从而使其密封。天窗自动开合装置由打开状态转为闭合状态时，互为对角的两个罩板B首先闭合，随后罩板C闭合，搭接在两个罩板B上，最后罩板A再闭合，闭合时其流线型外壳也能有效减小风力的影响。

1.2 组件设计

天窗罩板材料采用ST12冷轧钢板，表面做喷塑处理，具有良好的强度。因为天窗面板表面积较大，中间采用大量的支撑条、连接条以加强支撑，以提高其在面对大风天气时的抗风能力。3种类型天窗的结构基本相同，以罩板A为例，如图4所示。

1-顶帽；2-上连接支撑条；3-上加强板；4-中加强筋条；5-天窗罩板；6-下加强板；7-下连接支撑条；8-角撑板；9-电动推杆；10-底板；11-上推杆铰链固定组件；12-罩板加强筋；13-导向杆；14-导向板；15-罩板转轴；16-天窗支撑连接板；17-底边连接固定板；18-接近开关组件；19-天窗支撑座；20-下推杆铰链固定组件。图4 天窗罩板组件

天窗3块罩板由上下连接支撑条相互固定锁死，并在连接位置采用焊接的方式保证其连接稳定性。各个罩板中间有加强筋条，以提高整体抗弯能力。整个罩板在天窗支撑连接板处与罩板支撑座铰接，能绕罩板支撑座摆动，在电动推杆带动与导向组件的配合下完成开合；电动推杆上铰链位置位于天窗结构质心，其工作位置由接近开关组件控制，到达设定位置后电动推杆停止工作，完成整个天窗的开合。

2 开合机构的运动学分析

2.1 运动学分析

为了对天窗开合机构进行运动学分析，将各构件表示为连杆，机构简化后其运动简图如图5所示。

图5 机构运动简图

运动链自由度数目等于原动件数目，是运动链成为机构的条件[10]，机构自由度为

F1=3n-2p5-p4=3×3-2×4-0=1

(1)

式中：n为活动构件数目；p5为5级副个数；p4为4级副个数。由于只有电动推杆1个原动件，机构原动件数目等于机构自由度数目，故具有确定运动。

同时设电动推杆速度为v,运动时间为t。由天窗开合装置结构可知，天窗罩板组件闭合时角度为30°，天窗罩板组件打开时角度为90°，即连杆AB与x轴夹角的初始角度θ0=60°，并且顺时针转动到结束角度θ1=90°时停止。

电动推杆长度为

(2)

式中L0为电动推杆原长。

连杆AB旋转角度θ为

(3)

式中ω为连杆AB转速。

由几何关系可得：

(4)

C点的坐标与推杆长度L可用AB连杆转角θ计算出来。同时由几何关系，也可以将θ角用长度L来计算，推算出在电动推杆运行的过程中角度的变化。

(5)

式中α为角加速度。

2.2 Matlab仿真

根据天窗开合装置结构尺寸可知，m=537 mm,n=248 mm,r=227 mm,d=491 mm。将初始角度θ0=60°、结束角度θ1=90°代入式(4)可得L从726 mm增加到极限位置的1 063 mm，行程为337 mm,在电动推杆选型时，应选择合适的行程范围。电动推杆在选型时还需要选择合适的速度与负载。为保证天窗开合装置的开合工作能在1 min之内完成，则天窗每部分的开合时间需要在20 s内完成，可取速度v=20 mm/s。联立式(2)～(5)，使用Matlab计算并绘制电动推杆长度变化曲线、天窗罩板开合角速度、角加速度变化曲线，如图6所示。

图6 天窗开合装置运动学仿真曲线

计算可知，电动推杆行程为337 mm；在整个开合运动过程中，角速度最大为0.1 rad/s，且最大角加速度为0.012 rad/s。从图6也可以看出，天窗罩板转动较平稳，没有较为显著的速度变化，机构运动性能稳定。

3 动力学仿真分析

3.1 受力分析

先利用机构简图进行受力分析，如图7所示。

图7 天窗罩板受力分析图

天窗开合装置在运动中可能产生的问题主要分为两种，一种是电动推杆动力不足，另一种是在铰链A处或者O处产生塑性变形。在重力的影响下，随着θ角的不断变化，电动推杆的负载主要可以分为重力在推杆方向的分量及转动需要的力。设电动推杆的推力为F，罩板所受重力为G，罩板相对于铰链A的转动惯量为J。由达朗贝尔原理可得：

(6)

将数据代入，并联立式(2)～(6),可以求得电动推杆负载及铰链受力。

3.2 关键零部件受力校核

利用之前建立过的虚拟样机模型，运用SolidWorks中的SolidWorks Motion 模块对天窗开合装置虚拟样机进行动力学分析。在虚拟样机电动推杆处添加线性马达，将线性马达设置20 mm/s的匀速运动，并且对整体模型添加重力，并对仿真求解，可得到如图8所示的分析结果。

图8 虚拟样机动力学仿真曲线

由虚拟样机仿真结果可知，电动推杆的负载由初始状态的1 080 N推力变化至417 N拉力，其主要原因为旋转过程中重心位置的改变。整个过程变化均匀，与角速度、角加速度曲线变化基本一致。在电动推杆选型及铰链校核时应注意最大负载能力不能小于1 080 N。目前市面上相应速度的电动推杆一般负载可以达到1 500 N，由此可见本文的设计可以满足需求。

铰链轴在整个运动过程中受力不断增加，最后最大支撑力为1 366 N，铰链轴长260 mm,直径20 mm。利用材料力学弯曲应力图解法，代入公式对其抗弯能力进行校核：

(7)

式中：σmax为铰链所受最大正应力；Mmax为铰链所受最大扭矩；W为铰链抗弯截面系数；τmax为铰链所受最大切应力。

已知铰链轴材料为45#钢，许用应力为σ=360 MPa,r=125 MPa，而铰链轴所受正应力、切应力远小于许用应力，故满足设计要求。

4 流固耦合有限元分析

首先对模型进行简化，对于不参与有限元分析的部分进行删减;然后导入到SolidWorks软件的Flow Simulation模块中。工作环境设置为7级大风，即风速为60 km/h；气体介质设置为空气。完成流体域和网格划分后进行仿真分析，如图9所示。

图9 Flow Simulation流体仿真结果

由图9可知，由于天窗开合装置罩板具有一定坡度和流线外观，大部分风力并不会直接作用于罩板上，小部分区域载荷较大，载荷最大处受力为700 N。应在这些区域添加支撑，以加强其承受较大风载时的结构强度，提高抗风能力。

将Flow Simulation中的仿真结果导入到Simulation模块，在其中充当外部载荷。Simulation模块需要对网格进行划分，取网格密度为5 mm，并在铰链支座底部添加固定的约束，实现流固耦合计算[11]。仿真结果如图10所示。

图10 Simulation有限元仿真结果

从图10可以看出，天窗开合结构所受最大静应力为91.8 MPa，而ST12钢板屈服强度为280 MPa。仿真结果显示在7级大风的影响下天窗罩板没有发生塑性变形。而根据仿真位移图，在两边薄弱位置，位移量最大为2.85 mm，表示在这两片区域中可能存在着微小的弹性变形，为了进一步减小变形可能会带来的损坏，需要进一步加强支撑，提高罩板抵抗变形的能力。

通过以上分析，对天窗开合装置机构进行优化，在应力集中以及位移量大的地方增加支撑。再进一步进行流固耦合有限元仿真，得到如图11所示的结果。

图11 结构优化后位移分布图仿真结果

从图11可以看出，罩板在风载荷的作用下，变形明显减小，位移量由最大的2.85 mm，减小到1.48 mm。而且变形区域明显缩小，说明结构优化后的天窗罩板有更好的抗风能力。

5 风载荷作用下的运动仿真分析

大风天气不利于无人机的起降，可能会造成无人机起降难以控制，乃至坠毁。目前本课题所研究物流无人机起降的最大工作风力为5级风，即风速为40 km/h。前文对在7级大风下天窗开合装置在静态情况下的强度、刚度进行了有限元仿真校核，但天窗开合装置在5级风的条件下是否能够正常完成运动作业应进一步进行仿真校核。

在5级风力的风载荷作用下，天窗开合装置能否完成开合运动，主要取决于电动推杆推力能否提供足够的推力。在天窗开合装置运动过程中，由于天窗罩板的旋转，风力受力面会随运动变化，天窗所受风载荷也随之变化。本文采用SolidWorks的Motion模块和Flow Simulation模块联合仿真的方式进行模拟仿真。

采用本文第4部分相同方法，设定电动推杆速度不变，运动时间不变，把风速设定为40 km/h。分别测出在风载荷确定的情况下，天窗开合装置在运动的不同时间点，天窗开合罩板受力载荷变化曲线如图12所示。