CN111003191A

CN111003191A - 一种无人机防碰撞保护笼及其设计方法

Info

Publication number: CN111003191A
Application number: CN201911221231.4A
Authority: CN
Inventors: 王莹; 王鹏; 余力
Original assignee: Xian Aeronautical University
Current assignee: Xian Aeronautical University
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2019-12-03
Publication date: 2020-04-14

Abstract

本发明公开了一种无人机防碰撞保护笼，由90根碳纤维管、60个连接件a装配而成；这90根碳纤维管、60个连接件a构成20个正六边形和12个正五边形；这20个正六边形的排列与足球上白块的排列一致；这12个正五边形的排列与足球上黑块的排列一致。还公开了一种无人机防碰撞保护笼的设计方法，步骤1、仿照足球结构生成初始保护笼三维模型；步骤2、根据初始保护笼三维模型确定单元体中碳纤维管尺寸参数的变量；步骤3、依次对各变量所对应的初始保护笼三维模型单元体中连接件a的同一点同一方向施加两组载荷，通过有限元分析确定模型的力学性能；步骤4、根据力学特性确定碳纤维管尺寸参数，进而确定最终保护笼三维模型。

Description

一种无人机防碰撞保护笼及其设计方法

技术领域

本发明属于石油化工管道巡线及压力罐、储料罐无人机探伤技术领域，具体涉及一种无人机防碰撞保护笼的设计方法；还涉及一种无人机防碰撞保护笼。

背景技术

随着科技的发展，一些在军用领域才能涉及的产品也逐渐在民用领域迅速发展，无人机行业便是这一变化的佼佼者。如今，无人机广泛应用于工业领域。早期，石油天然气行业的管道巡线只能通过人工完成，但自从无人机的普及，通过无人机进行管道巡线不仅效率高，耗费人力少，而且还避免了人工巡线的死角。但是，一些管道，罐体等内部空间监测的场合仍然只能通过人工完成。受制无人机技术的主要原因是，无人机由于飞行速度快，需要飞手操控，大多用于室外等飞行空间宽敞，视野开阔的场合，这样，飞手可以通过控制无人机避免与障碍物发生碰撞，而在空间狭小的环境中飞行会使无人机很容易发生碰撞，对无人机安全构成威胁，所以无人机的避障手段和避障技术对无人机的进一步发展至关重要，避障手段的创新无异于一次无人机的技术革新。

小型自主导航无人机避障系统依然是小型无人机发展和突破的关键技术。设计高效、简单的自动避障系统，保障无人机空中作业的安全是亟待解决的问题。国内外在小型多旋翼无人机避障系统的应用还很少，所提出的各种避障方法和思想，大多处于仿真阶段，其有效性也有待验证，少有真正使用的避障系统。

对石油化工管道及一些压力罐、储料罐等内部空间进行检查，如果采用无人机就可能由于空间狭小使得无人机与罐体和管道内壁发生碰撞。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种无人机防碰撞保护笼，制造和装配简单，有较高的实用性。

本发明的第二个目的是提供一种无人机防碰撞保护笼的设计方法，直接指导保护笼的设计过程，不仅对设计过程提供精确的数据支撑，而且也使结构更容易满足设计要求。

本发明所采用的第一个技术方案是，一种无人机防碰撞保护笼，由90根碳纤维管、60个连接件a装配而成；这90根碳纤维管、60 个连接件a构成20个正六边形和12个正五边形；这20个正六边形的排列与足球上白块的排列一致；这12个正五边形的排列与足球上黑块的排列一致。

本发明的特点还在于：

碳纤维管管长L＝80mm，壁厚S＝1.5mm，外径D＝6mm。

保护笼内还设置有无人机固定机构。

无人机固定机构包括环形杆；环形杆一条直径的两端分别对应铰接连接杆a、连接杆b的一端，连接杆a、连接杆b的另一端均与连接件a铰接；

还包括横杆；横杆过环形杆的圆心，且横杆两端均与环形杆铰接；

横杆中央垂直于其设置有球铰链；球铰链a侧固接有连接件b；球铰链b侧固接有连接件c；a侧与b侧相对。

连接杆a、连接杆b所在的直线与横杆相互垂直。

本发明所采用的第二个技术方案是，一种无人机防碰撞保护笼的设计方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、仿照足球结构生成初始保护笼三维模型；

步骤2、根据初始保护笼三维模型确定单元体中碳纤维管尺寸参数的变量；

步骤3、依次对各变量所对应的初始保护笼三维模型单元体中连接件a的同一点同一方向施加两组载荷，通过有限元分析确定模型的力学性能；

步骤4、根据力学特性确定碳纤维管尺寸参数，进而确定最终保护笼三维模型。

本发明的特点还在于：

步骤2中，单元体中碳纤维管尺寸参数的变量有三个，分别为：管长L、壁厚S、外径D。

步骤3具体过程如下：

步骤3.1、确定材料属性；定义约束条件；当保护笼与障碍物发生碰撞时，直接受力点为保护笼碳纤维管的连接件a2处，连接件a2 球体表面受点载荷，因此加载为集中力载荷；单元体的三个碳纤维管与连接件a2处会存在接触，保护笼的各个碳纤维管材与连接件a2为固定接触。

步骤3.2、将碳纤维管的外径D、壁厚S保持不变，改变管长L；分别对管长70mm、75mm、80mm、85mm、90mm，外径为6mm，内径为4mm的五组值对应的模型进行有限元分析；分析当载荷的大小设置为500N和1000N时模型的变形情况；

步骤3.3、将碳纤维管的外径D、管长L保持不变，改变壁厚S；分别对壁厚为0.5mm、0.75mm、1mm、1.25mm、1.5mm，外径为6mm 的五组值对应的模型进行有限元分析；分析当载荷的大小设置为 500N和1000N时模型的变形情况；

步骤3.4将碳纤维管的壁厚S、管长L保持不变，改变内径和外径D；分别对尺寸参数(外径/mm X内径/mm)6mm×4mm、 5mm×3mm、4mm×2mm、3mm×1mm的四组值对应的模型进行有限元分析；分析当载荷的大小设置为500N和1000N时模型的变形情况；

得到模型的力学性能为：随着碳纤维管管长L的减小、壁厚S 的增加、外径D的增加模型的力学性能越好。

步骤4的具体过程如下：

标准最小人洞的直径为400mm，因此保护笼的直径应接近这一值；经过计算，管长L为80mm时，保护笼理论球径为396.48mm；根据步骤3的模型力学性能，选用壁厚S＝1.5mm，外径D＝6mm的管作为保护笼的尺寸。

单元体由3根碳纤维管(1)以及连接3根碳纤维管(1)的连接件a(2)装配而成。

本发明的有益效果是：

本发明一种无人机防碰撞保护笼，是对于无人机在石油化工管道及压力罐、储料罐管内巡线中，为避免无人机发生碰撞而提供的一种解决方案。现有的无人机避障方案，大多为对无人机飞控系统进行优化，这些是软件方面的调整，而本发明通过简单巧妙的机械结构避免了大量软件优化；在实际飞行中产生碰撞时，由于连接无人机与保护笼的万向节系统会将无人机飞行时受到的力与力矩由三个旋转副分解掉，不会使无人机产生附加力与力矩；保护笼是通过尺寸参数相同的60个连接件和90根碳纤维管连接起来构成一个类球体，制造和装配简单，有较高的实用性。

本发明无人机防碰撞保护笼的设计方法，是设计无人机防碰撞保护笼的过程中，为了得到最佳的模型尺寸而产生的系统的分析方法。现有的无人机避障方案，大多为对无人机飞控系统进行优化，这些是软件方面的调整，而本发明通过简单巧妙的机械结构避免了大量软件优化；现今的有限元分析大多为验证结构的稳定性和安全性，是对确定设计参数的装置进行分析，而本发明的有限元分析方法直接指导保护笼的设计过程，不仅对设计过程提供精确的数据支撑，而且也使结构更容易满足设计要求。

附图说明

图1是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法步骤1中初始保护笼三维模型；

图2是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法步骤3中单元体模型；

图3是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中加载示意图；

图4是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中网格划分示意图；

图5是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中单元体几何模型；

图6是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中O-A向受力示意图；

图7是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中O-B向受力示意图；

图8是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中O-C向受力示意图；

图9是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中碳纤维管管长为70mm时的变形云图；

图10是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中碳纤维管管长为75mm时的变形云图；

图11是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中碳纤维管管长为80mm时的变形云图；

图12是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中碳纤维管管长为85mm时的变形云图；

图13是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中碳纤维管管长为90mm时的变形云图；

图14是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中碳纤维管管长最大变形量折线图；

图15是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中碳纤维管壁厚最大变形量折线图；

图16是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中碳纤维管内径和外径最大变形量折线图；

图17是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中单元体中 O-A向最大变形量折线图；

图18是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中单元体中 O-B向最大变形量折线图；

图19是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中单元体中 O-C向最大变形量折线图；

图20是本发明一种无人机防碰撞保护笼的主视图；

图21是本发明一种无人机防碰撞保护笼的俯视图；

图22是本发明一种无人机防碰撞保护笼连接模型；

图23是图22中A处局部放大图；

图24是图22中B处局部放大图；

图25是图20中C处局部放大图；

图26是本发明一种无人机防碰撞保护笼与无人机连接的原理图。

图中，1.碳纤维管，2.连接件a，3.环形杆，4.横杆，5.连接件b，6.连接件c，7.连接杆a，8.连接杆b。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、仿照足球结构生成初始保护笼三维模型(如图1所示)。

步骤2、根据初始保护笼三维模型确定单元体(如图2所示)中碳纤维管尺寸参数(如表1所示)的变量；得到单元体中碳纤维管尺寸参数的变量有三个：单管长L、壁厚S、外径D；

其中，单元体由3根碳纤维管1以及连接3根碳纤维管1的连接件a2装配而成。

步骤3、依次对各变量(如表2所示)所对应的初始保护笼三维模型单元体中连接件a2的同一点同一方向施加500N和1000N两组载荷，通过有限元分析确定模型的力学性能；得到结果为：随着碳纤维管管长L的减小、壁厚S的增加、外径D的增加模型的力学性能越好；

有限元分析过程具体如下：

步骤3.1、材料属性：日本东丽碳纤维T700S-12K，具体参数如表3所示；

对模型进行网格划分：连接件a2采用四面体网格划分，碳纤维管采用扫掠网格划分(如图4所示)；

定义约束条件：当取单元体分析时，三个碳纤维杆的末端与初始保护笼三维模型连接，故此处为固定约束；

当保护笼与障碍物发生碰撞时，直接受力点为保护笼碳纤维管的连接件a2处，由于连接件a2球体表面受点载荷，所以加载为集中力载荷，方向如图6所示；

模型单元的三个碳纤维管材与连接件a2处会存在接触，由于保护笼的各个碳纤维管材与连接件a2通过胶粘连接，所以为固定接触。

步骤3.2、将碳纤维管的外径D、壁厚S保持不变，改变管长L；分别对管长70mm、75mm、80mm、85mm、90mm，外径为6mm，内径为4mm的五组值对应的模型进行有限元分析，对应的变形图如图9、图10、图11、图12、图13所示；分析当载荷的大小设置为 500N和1000N时模型的变形情况，最大变形量折线图如图14所示；

步骤3.3、将碳纤维管的外径D、管长L保持不变，改变壁厚S；分别对壁厚为0.5mm、0.75mm、1mm、1.25mm、1.5mm，外径为6mm 的五组值对应的模型进行有限元分析；得到当载荷的大小设置为 500N和1000N时模型的变形情况，最大变形量折线图如图15所示；

步骤3.4、将碳纤维管的壁厚S、管长L保持不变，改变内径和外径D；分别对尺寸参数(外径/mm X内径/mm)6mm×4mm、 5mm×3mm、4mm×2mm、3mm×1mm的四组值对应的模型进行有限元分析；得到当载荷的大小设置为500N和1000N时模型的变形情况，最大变形量折线图如图16所示。

(1)由于标准最小人洞的直径为400mm，所以保护笼的直径应接近这一值；管长L为80mm时，对应的无人机保护笼理论球径为 396.48mm；根据以上分析，杆径越大，壁厚越大，力学性能越好；最终选用外径为6mm，内径为3mm的杆长作为保护笼的尺寸。

(2)如图3所示，将单元体构建成研究模型；在图中，OA管、 OB管、OC管为图2中单元体的三根碳纤维管，O处即为连接件a2；先将这一分析模型做以下处理：

如图5所示，A、B、C构成一个平面α，过O作平面α的垂线 OD；根据三维模型的几何关系，∠AOB＝108度、∠BOC＝∠COA＝120 度；通过O点受点载荷的特点，拟定以下三种方案，通过这三组方案中有限个数的受力点分析，从而得到受碰撞时该点受力的一般结论：

O-A向受力分析：如图6所示，∠AOA-1＝180度、∠AOA-2＝165 度、∠AOA-3＝150度、∠AOA-4＝135度、∠AOA-5＝120度、∠ AOD＝101.6406度(OD⊥平面α)、∠AOA-7＝90度。分别在连接件球体表面上A-1O向、A-2O向、A-3O向、A-4O向、A-5O向、DO 向、A-7O向施加F＝1000N的点载荷；并进行求解；根据对应模型的整体变形的等值线云图得出最大变形量折线图(如图17所示)；

O-B向受力分析：如图7所示，∠BOB-1＝180度、∠BOB-2＝165 度、∠BOB-3＝150度、∠BOB-4＝135度、∠BOB-5＝120度、∠ BOD＝101.6406度(OD⊥平面α)、∠BOB-7＝90度。B-1O向、B-2O 向、B-3O向、B-4O向、B-5O向、DO向、B-7O向施加载荷F＝1000N 的点载荷；并进行求解；根据对应模型的整体变形的等值线云图得出最大变形量折线图(如图18所示)；

O-C向受力分析：如图8所示，∠COC-1＝180度、∠COC-2＝165 度、∠COC-3＝150度、∠COC-4＝135度、∠COC-5＝120度、∠ COD＝101.6406度(OD⊥平面α)、∠COC-7＝90度。C-1O向、C-2O 向、C-3O向、C-4O向、C-5O向、DO向、C-7O向施加载荷F＝1000N 的点载荷；并进行求解；根据对应模型的整体变形的等值线云图得出最大变形量折线图(如图19所示)；

(3)由上可得，受力方向为OD(OD⊥平面α)时，保护笼形变量最大。下面的保护笼受力极限分析皆基于这一受力方向。为了便于得出数据，上面分析施加的载荷均为点载荷；而实际保护笼与障碍物发生碰撞不都是点受力，而是在一个很小的接触面上受到较大压力 (近似视为点载荷)，为了得到可靠的数据，将单元体受力看做半径为1mm的圆形区域内压力载荷。

步骤4、根据力学特性确定碳纤维管尺寸参数，进而确定最终保护笼三维模型；最终保护笼三维模型的碳纤维管尺寸参数为：管长 L＝80mm，壁厚S＝1.5mm，外径D＝6mm。

如图20-图22所示，本发明一种无人机防碰撞保护笼，由90根碳纤维管1、60个连接件a2装配而成；这90根碳纤维管1、60个连接件a2构成20个正六边形和12个正五边形；这20个正六边形的排列与足球上白块的排列一致；这12个正五边形的排列与足球上黑块的排列一致。

碳纤维管1管长L＝80mm，壁厚S＝1.5mm，外径D＝6mm。

保护笼内还设置有无人机固定机构。

如图23所示，还包括横杆4；横杆4过环形杆3的圆心，且横杆4两端均与环形杆3铰接；

如图24所示，无人机固定机构包括环形杆3；环形杆3一条直径的两端分别对应铰接连接杆a7、连接杆b8的一端，连接杆a7、连接杆b8的另一端均与连接件a2铰接；

如图25所示，横杆4中央垂直于其设置有球铰链(如图25所示)；球铰链a侧固接有连接件b5；球铰链b侧固接有连接件c6；a侧与b 侧相对；其中，连接件b5用于连接无人机；连接件c6用于连接无人机记载设备。

连接杆a7、连接杆b8所在的直线与横杆4相互垂直。

一、测定安全系数及最大承载力

将图2的模型(管长80mm，外径6mm，内径3mm)导入ANSYS 软件中，和上面分析相同：定义材料属性；划分网格；添加约束条件；选用接触类型。与之前载荷添加不同，此处添加压力载荷，受力面为连接件a2表面半径为1mm的圆形小平面，压力方向为平面法向(此平面∥平面α)。

通过给定压力值，分析对应压力值下模型的安全系数，整体变形云图，应力云图，应变云图。根据云图和添加的载荷得到最大承载力数据，如表4 所示。由表4可得，随着选定安全系数的增大，对应点载荷受力，即材料最大承载力随之减小。

由于无人机在飞行中不能出现任何设计带来的危险，所以安全系数为2.0；对应无人机保护笼的最大承载力F＝1.41×10⁴N。

表2变量组数据

表3东丽T700S-12K参数

表4不同安全系数对应的最大承载力

Claims

1.一种无人机防碰撞保护笼，其特征在于，由90根碳纤维管(1)、60个连接件a(2)装配而成；这90根碳纤维管(1)、60个连接件a(2)构成20个正六边形和12个正五边形；这20个正六边形的排列与足球上白块的排列一致；这12个正五边形的排列与足球上黑块的排列一致。

2.如权利要求1所述的无人机防碰撞保护笼，其特征在于，所述碳纤维管(1)管长L＝80mm，壁厚S＝1.5mm，外径D＝6mm。

3.如权利要求1所述的无人机防碰撞保护笼，其特征在于，保护笼内还设置有无人机固定机构。

4.如权利要求3所述的无人机防碰撞保护笼，其特征在于，所述无人机固定机构包括环形杆(3)；环形杆(3)一条直径的两端分别对应铰接连接杆a(7)、连接杆b(8)的一端，连接杆a(7)、连接杆b(8)的另一端均与连接件a(2)铰接；

还包括横杆(4)；横杆(4)过环形杆(3)的圆心，且横杆(4)两端均与环形杆(3)铰接；

所述横杆(4)中央垂直于其设置有球铰链；球铰链a侧固接有连接件b(5)；球铰链b侧固接有连接件c(6)；a侧与b侧相对。

5.如权利要求4所述的无人机防碰撞保护笼，其特征在于，所述连接杆a(7)、连接杆b(8)所在的直线与横杆(4)相互垂直。

6.权利要求1-5任一项无人机防碰撞保护笼的设计方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、仿照足球结构生成初始保护笼三维模型；

步骤3、依次对各变量所对应的初始保护笼三维模型单元体中连接件a(2)的同一点同一方向施加两组载荷，通过有限元分析确定模型的力学性能；

7.如权利要求6所述的无人机防碰撞保护笼的设计方法，其特征在于，所述步骤2中，单元体中碳纤维管尺寸参数的变量有三个，分别为：管长L、壁厚S、外径D。

8.如权利要求6所述的无人机防碰撞保护笼的设计方法，其特征在于，所述步骤3具体过程如下：

步骤3.1、确定材料属性；定义约束条件；当保护笼与障碍物发生碰撞时，直接受力点为保护笼碳纤维管的连接件a2处，连接件a2球体表面受点载荷，因此加载为集中力载荷；单元体的三个碳纤维管与连接件a2处会存在接触，保护笼的各个碳纤维管材与连接件a2为固定接触。

步骤3.3、将碳纤维管的外径D、管长L保持不变，改变壁厚S；分别对壁厚为0.5mm、0.75mm、1mm、1.25mm、1.5mm，外径为6mm的五组值对应的模型进行有限元分析；分析当载荷的大小设置为500N和1000N时模型的变形情况；

步骤3.4将碳纤维管的壁厚S、管长L保持不变，改变内径和外径D；分别对尺寸参数(外径/mm X内径/mm)6mm×4mm、5mm×3mm、4mm×2mm、3mm×1mm的四组值对应的模型进行有限元分析；分析当载荷的大小设置为500N和1000N时模型的变形情况；

得到模型的力学性能为：随着碳纤维管管长L的减小、壁厚S的增加、外径D的增加模型的力学性能越好。

9.如权利要求6所述的无人机防碰撞保护笼的设计方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程如下：

10.如权利要求6所述的无人机防碰撞保护笼的设计方法，其特征在于，所述单元体由3根碳纤维管(1)以及连接3根碳纤维管(1)的连接件a(2)装配而成。