关于无人机降落伞自动分离系统的设计与开发

吴青松 冯译萱 韩广场 周凯 周思成 潘勋怡

摘  要：无人机是现代人们研究的一项重要热点问题，通过对无人机的应用，能够实现自动巡视、悬停、追究等多项功能，这也使无人机在调研与测绘等多个行业中都得到了广泛应用，而且从具体应用情况来看，也取得了不错的应用效果。但是，无人机在应用期间，可能会发生坠落问题，如果无人机在飞行期间，在人工密集区域发生坠落事故，不仅会造成巨大经济损失，甚至而会造成人员伤亡，为了解决这一问题，人们加强了对无人机的研究。下面，针对无人机降落伞自动分离系统设计与开发进行深入研究，通过对该系统进行应用，当无人机发生故障快速坠落时，可以通过降落伞减缓无人机坠落速度，减少由于无人机坠落而发生的意外以及损失。

关键词：无人机  自动分离系统  降落伞  无人机迫降

中图分类号：V27          文献标识码：A                   文章编号：1674-098X（2021）03（a）-0077-03

Design and Development of Automatic Parachute Separation System for UAV

WU Qingsong  FENG Yixuan  HAN Guangchang  ZHOU Kai  ZHOU Sicheng  PAN Xunyi

（Heilongjiang Institute of Technology， Harbin， Heilongjiang Province， 150050 China）

Abstract： UAV is an important hot issue in modern people's research. Through the application of UAV， it can realize automatic inspection， hovering， investigation and other functions， which also makes UAV widely used in many industries， such as survey and mapping， and has achieved good application results from the specific application situation. However， during the application of UAV， the problem of falling may occur. If the UAV falls in the artificial intensive area during flight， it will not only cause huge economic losses， but also cause casualties. In order to solve this problem， people strengthen the research on UAV. Next， the design and development of UAV parachute automatic separation system is studied in depth. Through the application of the system， when the UAV falls down rapidly due to fault， parachute can be used to slow down the falling speed of UAV and reduce the accidents and losses caused by UAV falling.

Key Words： UAV; Automatic separation system; Parachute; UAV forced landing

随着人们对无人机研究的不断深入，其性能得到了显著提升，目前无人机已经被广泛应用到了大气探测、军事侦察、电网巡检、倾斜摄影等多个领域中。对于新研发的无人机在具体投入前，要进行多试飞试验，确保无人机性能良好，可以正常应用，才能投入应用。无人机飞行测试期间，受无人机发动机故障、控制系统故障等各项问题影响，可能会导致无人机在飞行期间发生失稳，甚至出现坠机问题。由此可见，要在无人机上搭载降落伞系统，当无人机遇到特殊情况，必须迫降时，通过对降落伞系统进行应用，确保无人机安全降落，以免发生坠机事故。

1  无人机降落伞开伞原理

1.1 传统开伞

传统开伞就是对无人机飞行情况进行检测，通过检测发现无人机出现故障降落时，释放无人机的降落伞，但是，这种开伞方式在具体应用期间需要一定时间开伞，而无人机通常都低空飞行，无人机从坠落到降低落到地面持续时间较短，采取该方式开伞，經常会出现无人机出现故障发生坠落时，无法及时打开降落伞的情况[1]。因此，要想确保降落伞可以更好的保护无人机安全，要做好无人机降落伞分离系统设计，发挥降落伞的作用。

1.2 弹簧开伞

无人机中弹簧开伞就是对固定在无人机中降落伞中弹簧进行应用，进而将无人机中的降落伞弹出，如果检测到飞行的无人机出现快速下坠问题时，固定的弹簧则会快速弹出，减缓无人机下降速度。对于无人机来说，弹簧伞方式应用起来成本低、方式简单，但是这种方式在具体应用过程中也会受倒一定限制，只能应用在固定翼无人机上，而且，装置在应用时灵敏性相对较差，因此，具体应用过程中，可能会发生无法弹出降落伞情况[2]。

1.3 爆破开伞

爆破开伞是利用炸药将降落伞弹出的一项装置，这种装置是通过对炸药爆炸而形成的高压气体进行应用，弹出降落伞。需要注意的是，爆破开伞所需装置结构精密度高，而且装置成本高，这种开伞方式并不适合应用到多数无人机行业中。以上几种开伞方式在具体应用中都存在不同类型的缺陷，因此，相关人员在吸收了以上几种开伞装置优点进行全面吸收的基础上，对无人机的降落伞进行分析[3]。

2  无人机降落伞系统在應用时面临的难题

无人机降落伞回收对于回收场地的具体要求相对较低，并且整体操作相对来说十分简单，对于飞手的专业能力要求并不高，因此，降落伞回收是目前我国中小型无人机在野外飞行与作业期间十分常用的一种回收方式，通过对该方式进行应用，能够完成对降落伞的合理回收[4]。但是如果外界风较大，特别是在具有较大的强侧风时，受强风影响，无人机落地瞬间，无人机的降落伞还处于充气状态，此时降落伞受到空气的阻力较大，降落伞绳会处于拉直状态，这会导致无人机在落地时容易被拖拽，进而使无人机会与地面发生严重的碰撞，情况严重时会导致无人机发生连续翻转，无人机在地面上受降落伞绳拉扯作用影响，各项零部件以及外壳都容易遭受破坏。特别是在风较大的天气下，无人机降落后降落伞拖拽影响，无人机在地上速度较快，一般人奔跑都无法追赶上无人机在地上被降落伞拖拽的速度，这也就加大了回收无人机的难度[5]。造成上述问题的核心原因就是无人机在降落后，无人机与降落伞还是一个整体，并未实现分离，因此，为了使上述问题得到解决，相关人员要应当在对降落伞与无人机连接处进行全面分析基础上，设计一种新型机械结构，通过对该结构进行应用，进而使无人机落地时，降落伞与无人机能够实现自动分离，以由于降落伞作用对无人机造成拉扯，损坏无人机。此外，避免无人机信号传输遭受到影响，设计的分离装置要采取纯机械结构，避免电磁干扰。

3  无人机降落伞系统构成与工作流程

3.1 降落伞回收与迫降系统的构成

设计的降落伞回收系统住主要有4个部分构成的，整个系统由上到下分别为降落伞、降落伞自动分离装置、无人机、着陆缓冲装置。

该类型的无人机降落伞回收系统与常规无人机降落伞回收系统进行对比，其主要区别是在整个系统中添加了降落伞自动分离装置，该装置在具体应用过程中的作用就是当无人机着落的瞬间，降落伞能够与无人机发生分离，这可以有效避免降落伞对无人机造成拖拽，导致无人机遭受破坏[6]。

3.2 降落伞回收与迫降流程

无人机依据制定程序完成制定的飞行任务后，或者无人机在飞行期间受外界因素影响，发生意外进入迫降程序时，此时，地面站或飞控会发生相应的降落指令，无人机发动机接收到相应指令后，会减速熄火，降落伞仓舵机发生转动解锁伞仓，受扭弹簧作用影响，弹开伞仓盖，引导伞会迎专业风展开，并且能够快速充气，无人机中的主降落伞会被拉出，并且充满空气，受空气阻力作用影响，用于拉扯无人机降落速度的绳子会被拉直，降落伞绳拉力解锁锁伞机自动分离装置，并且，要开启着落缓冲装置，无人机安全坠落。无人机坠落瞬间，降落伞伞绳保持松弛，无人机中的降落伞自动分离装置内的挂钩将会被弹开，降落伞会与无人机发生分离。

4  设计无人机降落伞自当分离装置结构

4.1 降落伞机自动分离装置模型

为了避免干扰无人机电磁信号，降落伞机自动分离装置采用的为纯结构，该装置一共由、外壳、挂钩、带耳螺母、顶丝、钢珠、扭簧、螺纹销、无人机吊环多个构件共同构成，无人机在降落期间，降落伞绳始终都保持紧绷状态，同时，该装置也保持紧绷状态。无人机着落时，无人机与落地接触瞬间，无人机中上的着落缓冲装置的作用将会生效，这会降低无人机降落速度，速度不断减缓，最终发生轻微反弹，降落伞会处于松弛状态。结构中的扭簧在弹力作用下将会被弹开，这将会导致降落伞自动分离装置被断开，无人机与降落伞装置会完成分离。

4.2 无人机降落伞自动分离装置分析

该类型的降落伞自动分类装置主要适合安装在小型固定翼无人机，其可以在野外作业中应用，乐意通过主动方式完成降落，也能够用在遇到紧急情况时，进行迫降，该类型的无人机的各项参数如表1所示。

4.3 无人机降落伞自动分离装置采用的材料

无人机降落伞自动分离装置采用的材料如表2所示。

通过表2中数可以看出，对于无人机来说，弹簧、扭簧在具体制造时都采用给常用的弹簧钢制造，牌号为65Mn，采用该材料的原因是因为该材料就有较好的强度和硬度，并且，回弹效果好，因此，将其作为原材料制成弹簧、扭簧，将该材料制作而成的弹簧、扭簧应用到无人机中，能够使无人机降落伞在应用时的具体作用可以得到合理发挥;无人机降落伞自动分离装置的外壳在无人机降落期间仅收弹簧和钢珠两者的作用力影响。对于壳体来说，不需要具有太大强度，在具体设计期间，从防锈蚀和整体美观性入手对具体设计进行分析，最终决定采用通过T5时效处理的2A12 牌号铝合金，这一材料不仅可以满足应用需求，而且具有不错的经济，这也是该材料得到广泛应用的关键;无人机降落伞自动分离装置结构中的顶丝和钢珠在应用时仅受弹簧力作用影响，对于该结构的制造，采用304不锈钢即可;整个装置中的螺纹销起到的作用是连接无人机吊环与挂钩，因此，其在具体应用时，会遭受到较大剪切应力，为了避免螺纹销遭受破坏，提高该结构强度，要利用高强度45#钢，将其作为制造材料。此外，为了确保最终设计产品在应用的可靠性，以及应用效果良好，在装置内部要进行润滑和除锈处理，保证装置在应用过程中内部不出现锈蚀情况，以免装置在应用时的作用无法得到发挥。

5  结语

针对无人机降落受降落伞拖拽影响，设计了无人机降落伞自动分离系统，整个装置采取了纯机械结构，可以避免无人电磁信号干扰，整个结构安装简单、小巧，同时采用该装置可以避免无人机降落时发生严重拖拽问题，应用效果良好。

参考文献

[1] 邓杰文，胡鑫，姜路冲.一种新型无人机降落伞弹射装置的开发与研究[J].科技风，2020（11）：25.

[2] 龚小胜，蔡武惠，刘雪锋，等.降落伞及安全气囊在固定翼无人机中的应用及研究[J].电力设备管理，2020（1）：141-142.

[3] 廖锐，周永录，普园媛，等.基于无人机应急伞降避损与落点定位的研究[J].电子测量与仪器学报，2019，33（9）：16-24.

[4] 龙吉.基于STM32的无人机精准空投控制装置的设计[J].电子技术与软件工程，2019（2）：83.

[5] 吴翰，王正平，周洲，等.基于凯恩方程的无人机伞降回收动力学建模与仿真[J].北京航空航天大学学报，2019，45（6）：1256-1265.

[6] 王童，邢健健，张文君，等.小型无人机伞降回收与失控保护系统的研究[J].科技风，2017（8）：22，24.