旋翼无人机安防结构创新设计

上海交通大学，上海市 闵行区 100000

随着国内外民用无人机的应用领域不断扩大，普及程度不断深入，在城市上空飞行更加频繁，与用户及人员亲密接触的机会也越来越多，客观上要求无人机设计制造必须做到安全、可靠。近年来，无人机产品防护结构的设计已日益受到重视。

随着国内外民用无人机的应用领域不断扩大，普及程度不断加大，在城市上空飞行更加频繁，与用户及人员亲密接触的机会也越来越多，客观上要求无人机设计制造必须做到安全、可靠。除机载动力装置、操纵控制系统、电池组必须达到安全级别外，其结构设计也需要符合确保安全使用的要求给予保障。尤其是近些年来批产无人机产品防护结构的设计已日益受到重视。

已列为设计要素

民用无人机由于飞行空域及其区域的特殊性更重视对结构的防护设计。其中，包括防护无人机之间的碰撞，防护无人机与高层建筑物、高压电塔架、高山的碰撞，防护无人机与人员的碰擦伤等。这既是对外界及人员的防护，也是对自身的防护，以避免发生意外事故，造成经济损失和人员伤亡。

现以旋翼无人机为例，旋翼如果处在无防护装置下，高速运转中的旋翼很容易伤及人员，也会由于操纵不慎而碰及外物，轻者碰擦伤，重者机毁人亡。因此，如何确保旋翼无人机在运行过程中的自身安全现已成为这类无人机设计的要素。

该项防护设计要素的基本要求是结构简单、实用、低阻、融合、低成本、轻量化。

构成自身防护罩

旋翼无人机由于能够垂直起降，摆脱了对机场跑道的束缚，实用性好，使用方便，现在已在国内外得到广泛使用。

旋翼无人机的防护从简易半环式起步，进步到涵道式，再发展到防护罩式；并有分置式和合体式结构之区别。

半环式

旋翼无人机的旋翼就坐落在半环中间，设在四周的半环能起到抵挡外来物，防止伤人的作用。其特点是结构简单、易添加、易改装、重量轻，不影响使用性能。

涵道式

旋翼无人机的旋翼就位于涵道中央，其结构特点是无人机整体性好、强度高、气动阻力小，外形美观且尺寸紧凑。

防护罩式

旋翼无人机的旋翼外部设有防护罩，可抵挡外来物侵害，防止飞行中伤及人员和飞鸟。在结构上有分置式防护罩和合体式防护罩之分。

分置防护罩

图1 无人机自身设置的各种防护罩

图2 四旋翼无人机的整体防护罩

图3 由四旋翼无人机机身延伸的整体防护罩

旋翼无人机的防护罩“一对一”，即每个防护罩只照管一副旋翼，其结构特点是单体工艺性佳，方便使用维护(见图1)。如果这种防护罩对小型旋翼无人机比较适合，那么对多旋翼无人机而言，其分置式结构的分离面增加整体性变差，且结构重量也会有所增加，维护也会麻烦些。

整体防护罩

旋翼无人机的防护罩“一对多”，即一个防护罩能防护多副旋翼，其结构特点是无人机的整体性佳，强度高(见图2)。能通过优化设计减轻结构重量，有利减阻并改善气动性能。

图3为旋翼无人机机身延伸的防护罩设计，其结构特点是作为无人机机身延伸的一部分即参与整机承载，又兼顾了防护功能，达到“一物两用”。经优化设计还控制了结构重量，保持了高强度，综合了无人机的整体性、安全性、减阻性、轻量化的特质。不仅无人机的零件数减少，工艺性好，而且维护性亦好，符合用户对实用性的要求。

图4为无人机的整体防护罩，其外形酷似电扇的外罩，能将整架四旋翼无人机全部包络，并且防护罩还是上下两面的，安全性亦更高，拆装也很方便。

设置赛事起降网

对于民用无人机的使用，尤其是商业无人机的应用，在城市上空飞行甚至用户把无人机间不发生碰撞事故、不碰及建筑物，不伤及人员放在首位，包括在无人机赛事、无人机晚间空中表演上均要求在技术上给予保证。

图4 四旋翼无人机的整体防护罩

图5 设置外场的旋翼无人机防护网

通常无人机室内外赛事地面铺有矩阵字幕，周围设有指定高度的防护网，防护网用尼龙丝编织而成，不仅强度高，而且韧性好，耐撞击，使用寿命长。所有参赛无人机只能在防护网提供的空间内按科目或任务要求飞行(图5)。其矩阵字幕是由不同样的数码组成，可供无人机识别，并在某行某列自行对号入席，有序垂直起/降。图6为无人机群在设置的外场防护网内自由飞行时的状况。其中6架金黄色的无人机执行各自任务，在半空中以不同的高度、速度、轨迹、姿态有序飞行也不会发生碰撞。

倘若认为上述仅用于观赏无人机赛事未免有些狭隘。其实它还可以用于一些无人机的技术验证。例如，对空中快递的寻址，精准投递；对无人机垂直起飞状态及性能的考量；对无人机垂直降落精度的测定；对无人机空中悬停稳定性的观察等。设置护网的好处是防止场内无人机飞脱操控区域，需要另外组织人力到处寻找，或避免因无人机失踪所造成的损失；同时也方便用户回收。同时也防止了外界干扰或因外来物侵入而影响赛事或飞行测试。

图6 旋翼无人机群在防护网内自由飞行

图7 四旋翼无人机的球形网防护罩

创新机精彩不断

近年来，批产无人机产品防护结构的设计日益受到重视，出现了一些技术创新，不仅有硬式结构，也有软式结构，还有软硬式组合结构，反映出其自身不仅将它已列为设计要素，另外更多地考虑适应外场环境，更好地满足用户需要，切实把飞行安全落实到实处。而且这些技术创新不仅适用于边远和农林地区飞行作业，而且同样适合城市上空飞行，并且通过航空与艺术的融合，航空与科普的融合，航空与历史文化的融合，航空与商贸的结合 ，航空与区块链的结合，把旋翼无人机的垂直起降、空中悬停、过渡巡航等实务演绎得出神入化。

图7为四旋翼无人机的球形网防护罩，它由多面体组成，每个面分别由五边形和六边形杆构成(内含LED发光管)，保护着位于中央的无人机全向不受损。该球形防护网罩不仅表面积大，而且强度高、弹性强，可随该无人机一起升空，进行各种移动、盘旋、翻滚特技，降落地面后还能够滚转行驶，用于单机表演，或多机编队的节庆夜晚表演，更是精彩不断。