基于无人机新式减震装置的设计与分析

潘长天 ，陈 娜 ，张家一 ，刘 鑫 ，王一鸣

（青岛恒星科技学院，山东 青岛 266100）

近年来，无人机市场规模日益增加，市场空间不断扩大，无论是在电视节目创作中应用的航拍技术，还是在农业植保方面采用的无人机自主作业，或是无人机电力线塔巡查方面应用的无人机操控技术[1]。无人机作为一种新型飞行器，以体积小巧、便于操作、成本较低、便于完成各种任务而被广泛应用于军事和民用领域[2]。而多旋翼无人机由于具有可以垂直起降、随时悬停[3]、稳定性较高等优点成为当下很受欢迎的无人机机种。但如若碰到恶劣天气或高空气旋等复杂状况时，多旋翼无人机的纵横向姿态保持和滑移控制就变得十分困难，极易出现为了避免纵横向滑移时受地面约束而引起倾翻和垂向近地颠簸[4]，不但很考验技术员的操作水平且操作过程中也较易出现坠机、降落不稳等状况，而在此过程中减震起落架是无人机唯一的保护措施。

1 无人机起落架现存问题

起落架作为无人机不可缺少的承力部件，承受着与地面撞击时产生的静载荷和动载荷，吸收并消耗无人机在着陆撞击时所产生的能量，成为无人机关键的保护设施[5]。当下，市面上常用的起落架多无减震装置，或采用具有一般柔性的材料进行减震[6]，只能做到硬着陆式减震，效果不佳，还有采用只在两个支撑腿周围加上弹簧的方式进行缓冲的减震装置，但还是会存在震动的情况发生，比如降落地况复杂，或碰到地面凹凸不平的情况，可能会导致两个支撑腿最底部倾斜有一定的高度差，在这种情况下，由于无人机重心大多在机身下部的精密器件或拍摄设备上，因此极易出现翻机现象，使得相机、器件等出现不必要的损伤，为此，就需要一种安全稳定的新式减震支架[7]。

2 无人机减震装置结构设计

本项目无人机的落地减震装置，由无人机机身和两个缓冲臂组成，所述无人机机身底部两端均有可移动开口，用于无人机平稳落地减少震动的两个所述缓冲臂分布在无人机机身底部两端，缓冲臂内有缓冲开口，且缓冲口内滑动插接口有连接柱，所述连接柱两端固定有与无人机机身底部固定的安装块，且缓冲臂外侧固定有与连接柱相抵的减震件，此缓冲臂底部固定有稳定件，且顶部安装有用于相机防护的防护件，如图1所示[8]。

图1 无人机减震装置示意图

稳定件包括固定在缓冲臂底部的连接杆和固定在缓冲臂底端外侧的支撑板，连接杆两端均通过铰接件固定有接触杆，而支撑板内固定有弧形杆，且弧形杆两端均滑动套接有与两个接触杆固定的弧形套，所述弧形套外端固定有抵板，且弧形杆外侧套有与抵板和支撑板接触的挤压弹簧，稳定件起到一个稳定效果，在凹凸地面上通过接触杆的倾斜调节，从而使得无人机降落更加平稳。

防护件包括滑动插接口与两个移动口内的移动块和与移动块固定的推送板，推送板外侧通过转轴与缓冲臂顶端转动连接，且另一侧固定有缓冲气垫，在无人机降落时，通过挤压倾斜的缓冲臂，使得两个推送板向内移动，从而能够对推送板中间的相机或精密元件起到挤压防护作用，避免元件受到损坏。对于装置的推动板，采用弧形面结构，弧形面结构能够使推动板的推进更加稳定，对接触杆外侧采用橡胶防护套包裹，延长使用寿命且便于更换。

3 无人机减震装置工作原理

如图2所示，无人机减震装置，包括无人机机身和两个缓冲臂1，无人机机身底部两端均开有移动口2，用于无人机平稳落地减少震动的两个缓冲臂1分布在无人机机身底部两端，缓冲臂1内开有缓冲口，且缓冲口内滑动插接口有连接柱，连接柱两端固定有与无人机机身底部固定的安装块3，且缓冲臂1外侧固定有与连接柱相抵的减震件，缓冲臂1底部固定有稳定件，且顶部安装有用于相机防护用的防护件4。

图2 减震装置缓冲臂与机身细节展示图

如图3所示，减震件包括安插于缓冲口5内与连接柱6相抵的推动板7，推动板7两端底部固定有滑杆8，滑杆8底部滑动套接有与缓冲臂外侧固定的连接块，且滑杆8外侧套有与连接块固定的缓冲弹簧9，通过减震件使得缓冲臂在受到冲击角度发生改变时，起到一个抵触作用，进行一个缓冲，其中，为了使推动板7的作用更加稳定，将推动板7与连接柱6接触端为弧形面结构[9]。

图3 减震装置弹簧推动板设计细节图

为了方便缓冲弹簧9对推动板7的推动，缓冲弹簧9靠近推动板7一端固定有与滑杆8滑动连接的推块10。

如图4所示，防护件包括滑动插接口与两个移动口内的移动块11和与移动块11固定的推送板12，推送板12外侧通过转轴与缓冲臂顶端转动连接，且另一侧固定有缓冲气垫13。

图4 减震装置连接杆和缓冲臂设计细节图

当无人机降落在斜面时对其进行减震的原理：在无人机降落时，缓冲臂底部会先与地面接触，此时无人机因没有向上的动力，因此飞机整体的重力都作用于两个缓冲臂上，会带动缓冲臂倾斜，使整个无人机本体重心降低，使其更加稳定，当停放在斜面上时，此时两个缓冲臂会因为角度调节的差异，使得无人机本体更趋向于水平，更加平稳，而现有的无人机降落后，都是与斜面水平，存在一定倾倒概率。

在无人机降落在凹凸不平地面时对其进行减震的原理：当无人机降落在凹凸不平的地面上时，此时无人机缓冲臂底部对应的两个接触杆14会与地面接触，当地面有凸起时，接触杆14对对应的缓冲臂进行翻起，从而使得无人机本体趋向水平，更加稳定。

图4中稳定件包括固定在缓冲臂底部的连接杆15和固定在缓冲臂底端外侧的支撑板，连接杆15两端均通过铰接件固定有接触杆14，支撑板内固定有弧形杆，且弧形杆两端均滑动套接有与两个接触杆14固定的弧形套16，所述弧形套16外端固定有抵板17，且弧形杆外侧套有与抵板和支撑板接触的挤压弹簧。为了使接触杆14受磨损后方便修护，在外侧套有橡胶防护套。

在无人机降落时，通过防护件4内的推送板12向内移动，从而推动两个缓冲气垫13与相机等设备进行挤压防护，使得在无人机出现震动时，能够对设备起到一个防护效果，避免出现损坏。

4 无人机减震装置实现功能

4.1 缓冲作用

本项目无人机减震装置设置两个缓冲臂，且缓冲臂内开有缓冲口，缓冲口内滑动插接口有连接柱，连接柱两端固定有与无人机机身底部固定的安装块，且缓冲臂外侧固定有与连接柱相抵的减震件，缓冲臂底部固定有稳定件，且顶部安装有用于相机防护用的防护件。

4.2 稳定作用

本项目无人机减震装置的稳定件包括固定在缓冲臂底部的连接杆和固定在缓冲臂底端外侧的支撑板，该连接杆两端均通过铰接件固定有接触杆，支撑板内固定有弧形杆，且弧形杆两端均滑动套接有与两个接触杆固定的弧形套，所述的弧形套外端固定有抵板，且弧形杆外侧套有与抵板和支撑板接触的挤压弹簧，稳定件起到一个稳定效果，当无人机在凹凸地面上降落时，能够通过接触杆的倾斜调节，使得无人机降落得更加平稳。

4.3 减震作用

本项目无人机减震装置的减震件包括安插于缓冲口内与连接柱相抵的推动板，该推动板两端底部固定有滑杆，所述滑杆底部滑动套接有与缓冲臂外侧固定的连接块，且滑杆外侧套有与连接块固定的缓冲弹簧，通过减震件内的缓冲弹簧，对缓冲减震板进行角度的调节，从而实现减震效果。

4.4 保护作用

本项目无人机减震装置的防护件包括滑动插接口与两个移动口内的移动块和与移动块固定的推送板，所述推送板外侧通过转轴与缓冲臂顶端转动连接，且另一侧固定有缓冲气垫，在无人机降落时，通过挤压倾斜的缓冲臂，使得两个推送板向内移动，从而对中间的相机以及电子元件进行挤压防护，避免受到损坏。

4.5 辅助作用

本项目无人机减震装置的推动板与连接柱接触端为弧形面结构，弧形面结构的设计使得对推动板的推进更加稳定；缓冲弹簧靠近推动杆一端固定有与滑杆滑动连接的推块，提高对推杆的推进效果；接触杆外侧套有橡胶防护套，使得长期使用出现磨损后便于更换。

5 市场前景

随着无人机产业链的逐渐成熟、硬件成本不断下降以及市场价格的降低，无人机市场关注度持续攀升，消费类无人机的客户群体从小众拓展至大众，客户规模呈现指数级增长。

消费类无人机、商用无人机和政府无人机是拉动无人机行业增长的三大类。近年来，受益于行业发展及国家政策的大力支持，中国民用无人机取得了高速发展，逐渐成为全球无人机行业重要板块之一。数据显示，我国民用无人机市场规模由2017年的79亿元增至2020年的361亿元，年均复合增长率为65.9%，预计2022年我国民用无人机市场规模将达到453亿元[10]。

近几年，受新冠肺炎疫情的影响，无人机除了用于电视台航拍、农业植保作业、电力巡查等领域，一种新兴的无接触物流配送服务成为现下主要的配送方式。无人配送除了避免接触以外，对于企业来说可以提高效率、降低成本，发展前景广阔。目前，无人配送物流设备主要为无人机、自动驾驶汽车、物流机器人等。其中，无人机具有智能控制方便、信息传输准确、运行距离较长、用电成本较低等特点，是物流配送企业无人配送的主要设备，故无人机市场不断扩大，需求量居高不下。而本产品既能起到保护无人机的作用，还能延长无人机的使用寿命，且成本低安装方便，故市场前景良好。