无人机折叠机翼展开运动特性研究_郭小良

第 38 卷第 4 期 2006 年 8 月 　　　　 南　京　航　空　航　天　大　学　学　报 Jou rnal of N an jing U n iversity of A eronau t ics & A stronau t ics　　　　 V o l. 38 N o. 4 　A ug. 2006 无人机折叠机翼展开运动特性研究 郭小良　裴锦华　杨忠清　朱剑峰　王永刚 (南京航空航天大学无人机研究院, 南京, 210016) 摘要: 采用两种分析方法对某无人机的机翼折叠ö展开运动特性进行研究。建立该机构运动的微分方程, 用龙格2 库塔法进行求解; 用M A TLAB 非线性优化工具包对扭转弹簧的主要参数进行了优化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ; 利用多体动力学分析 软件进行机构的运动仿真分析。两种方法得到分析结果与实验吻合很好。 关键词: 无人机; 折叠机翼; 运动特性; 多体动力学仿真 中图分类号: V 279　　　文献标识码: A 　　　文章编号: 100522615 (2006) 0420438204 　收稿日期: 2005211206; 修订日期: 2006203221 　作者简介: 郭小良, 男, 副研究员, 1957 年 4 月生, E2m ail: nhgx l@nuaa. edu. cn。 M ovem en t Character ist ic of UAV Fold ing W ings Guo X iaoliang , P ei J inhua , Y ang Z hong qing , Z hu J ianf eng , W ang Y ong g ang (R esearch Inst itu te of U nm anned A ircraft, N an jing U niversity of A eronau tics & A stronau tics, N an jing, 210016, Ch ina) Abstract: T he movem en t characterist ics of UAV fo ld ingöunfo ld ing w ings are studied by tw o m ethods. T he m athem atica l model fo r the fram ew o rk is estab lished and so lved by R unge2Ku tta m ethod. Param e2 ters of to rsional sp ring are op t im ized by the non linear op t im al too lbox in M A TLAB. T he movem en t of fo ld ingöunfo ld ing w ings is sim u la ted u sing a m echan ism dynam ics analysis softw are. Tw o m ethods are p roved to be effect ive. Key words: UAV ; fo ld ing w ing; characterist ic of movem en t; m u lt i2body dynam ics sim u la t ion 引　　言 无人机是现代战争中一种高效能、低风险的高 技术武器装备。箱式发射将贮存、运输和发射等功 能系统地结合在一起, 是实现对其平时运输的机动 性、可操作性和可维护性等要求的最佳方式。箱式 发射一般采用螺旋桨箱外离合技术 (以色列的“哈 比”) 和折叠机翼技术 (德国的“布雷维尔”) 来充分 利用发射箱空间。 某无人机要求机翼具有较大的展弦比, 因此在 气动外形设计时采用机翼折叠ö展开的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 , 来解 决发射箱尺寸与机翼展长之间的矛盾。机翼分内翼 和外翼两部分, 内翼与机身在结构上连成一体; 外 翼与内翼在机翼下 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面的分离面处设置铰链, 上表 面处设置锁扣。当无人机在发射箱内时机翼向下、 向内折叠; 而当无人机被发射出箱后, 外翼立即在 展开机构的作用下向上、向外展开, 并被锁住在展 开位置。 为验证设计的合理性并优化设计参数, 本文采 用理论分析和实验相结合的方法对该折叠机翼的 展开运动特性等进行研究。 1　折叠机翼展开机构设计要求 某无人机机翼折叠ö展开角度为 135°, 机翼折 叠ö展开机构以铰链片、滑轮、钢索等元件作为传动 机构, 扭转弹簧的扭矩通过滑轮及钢索将作动力传 到外翼的挂钩上, 如图1 所示。发射离箱后, 外翼在 扭簧产生的扭矩驱动下实现快速展开, 使无人机迅 速转入正常飞行姿态, 设计要求展开时间不超过 1 s, 展开造成的冲击要尽可能小。 图 1　机翼折叠ö展开运动示意图 2　展开机构运动数学模型 根据折叠机翼的工作原理, 不考虑空气阻力及 分布载荷, 建立如图 2 所示的数学模型。其中: B (C ,D )为钢丝绳与折叠机翼的固连点,B 为尚未展 开时在空间所处的位置, C , D 为在不同时刻固连 点的空间位置; O 1 为圆盘的中心, 位于机翼的固定 部分, 圆盘与扭簧同轴, 扭簧一端固定, 一端连于圆 盘; 钢丝绳分别与圆盘和折叠机翼相连, 圆盘的转 角与扭簧角度变形量相同; O 2 为折叠机翼的转轴。 折叠机翼在扭簧 (钢丝绳间接作用) 和重力作用下 绕此轴转动; Η0 为折叠机翼钢丝绳固连点与折叠机 翼转轴的连线与O 1,O 2 连线的夹角; Η为t 时刻折叠 机翼的展开角度; ∃Η为∃ t (即h )时间内折叠机翼的 微小转角; ∃Ρ为∃ t 内折叠机翼上钢丝绳固定点与 圆盘中心的微小转角; ∃Β为∃ t 内绳索与圆盘接触 点 (切点) 至圆盘中心的微小变角; ∃Υ为∃ t 内系于 圆盘上绳索一端与圆盘中心的微小变角 (即扭簧的 微小变形角)。 图 2　折叠机翼运动模型图 211　折叠机翼部分已知数据 圆盘半径R 1; O 1O 2= d ; O 2C = R 2; 由图2 可知Η0 = arctan (R 1ö R 22 - R 21 ) 212　扭簧转角与折叠机翼展开角的关系 扭转弹簧的变形角与折叠机翼的展开角关系 的相关因素有: 圆盘中心与转轴中心的距离d ; 折 叠机翼中心与钢丝绳一端的距离R 2; 钢丝的初始位 置Η0 (它与圆盘的半径R 1, d , R 2 有关) ; 某一时刻的 展开角Η。 当折叠机构展开到某一角度C 点时, 如图3 所 示, 由几何关系可得 O 2N = O 1O 2 õ K C õ CL - O 1K õO 1L(û CO 1û ) 2 (1) 图 3　某一位置时几何关系图 213　折叠机翼展开角加速度与扭转弹簧扭矩的关 系 　　对于圆盘, 设扭转弹簧扭矩为T , 圆盘转动惯 量为J 2, 转动加速度为Ε2, 钢丝绳某一瞬时拉力为 F , 则F×R 1- T = J 2Ε2, 由于圆盘转动惯量很小, 可 以认为J 2Ε2= 0, 则F = T öR 1对于折叠机翼有 F × (R 1 + x 2) + GR sin (45ö180 × Π- Η) = J Η　¨ (2) 由几何关系得 T (1 + x 2öR 1) + GR sin (45ö180 × Π- Η) = J Η　¨ (3) T × 1+ d× (R 2 sinΗ1× d 2+ R 22+ 2R 2d co sΗ1- R 21 - R 1 (R co sΗ1+ d ) )(d 2+ R 22+ 2R 2d co sΗ1)×R 1 + GR sin 45180×Π- Η = J Η　¨ (4) 由式 (4)即可得出折叠机翼展开角加速度与扭转弹 簧扭矩的关系。 214　折叠机翼数学模型的求解 折叠机翼展开过程的数学模型可以转化为标 准的龙格2库塔格式, 并进行求解[1 ]。考虑角速度与 角加速度的关系, 选时间为自变量, 建立一阶常微 分方程组 (自变量是时间, 变量为折叠机翼展开角 度、角加速度以及扭转弹簧的扭转变形角) : 934第 4 期 郭小良, 等: 无人机折叠机翼展开运动特性研究 Η′= ΗõΗõ ′= 1J GR sin 45180 × Π- Η + T ′1 + d (R 2 sinΗ1 d 2 + R 22 + 2R 2d co sΗ1 - R 21 - R 1 (R 2co sΗ1 + d ) )(d 2 + R 22 + 2R 2d co sΗ1) × R 1 õ 　　 (Υ0 - Υ) )Υ′= R 2dR 1 õ sinΗ1 R 22 + d 2 - R 12 + 2R 2d co sΗ1　 + 11 + dR 2 2 + 2d co sΗ1R 2 × ΗõΗ1 = Η+ Η0 (5) 初值为: Η(0) = 0Ηõ (0) = 0Υ(0) = 0 (6) 　　龙格2库塔公式解常微分方程, 是在已知初始 条件的情况下, 选取合适的步长, 进行多次迭代求 解, 可以得出以下结果: (1) 扭转弹簧的刚度和初 始转角增大, 展开的角速度增大, 即达到一定的展 开角所用时间减少, 如果不对折叠部分限位, 摆动 周期加大; (2) 转动中心与绳索距离越短, 角速度 越大; (3) 圆盘中心与转动中心越远, 角速度越大; (4) 圆盘半径越小, 角速度越大; (5) 如果扭转弹 簧刚度系数为 0, 则影响转动效果的只有折叠部分 本身的参数 (半径、质量及转动惯量等)。 215　计算结果 采用V isual Basic 编制专用分析程序[2 ] , 通过 计算机进行迭代计算。 程序只需输入扭转弹簧的主要参数 (刚度及初 始扭转角)以及折叠翼部分相关参数 (绳索位置、圆 盘中心与转中心距离、圆盘半径)。根据所要达到的 设计标准 (主要是时间和展开的最大角度) , 不断对 初拟定的参数进行修正, 寻找最佳设计点。 通过计算可以分析不同参数的变化对系统性 能影响, 观察动态展开的各种参数。 通过计算机进行迭代计算, 选取积分步长 01001 s, 由计算结果可知, 当折叠翼展开 01708 s 后, 转角即可达到135°, 满足设计要求。 216　扭簧参数优化设计 机构中的扭簧是提供折叠机翼展开、落位并锁 定的动力源。因此, 其参数是关键的设计指标。本 文选取d ,D 2, n 为最优化设计变量[3, 4 ] , 定义 X = x 1 x 2 x 3 = d D 2 n (7) 式中: d 为钢丝直径; D 2 为中径; n 为工作圈数。 目标函数可根据弹簧的工作特点和对它的专 门要求来建立。考虑为飞行器上使用, 故以质量或 钢丝体积最小作为最优化设计的目标。此时目标函 数可表达为 f (X ) = Π2d 2D 2nΘö4 其中Θ为弹簧钢丝材料的密度, Θ= 7164×10- 6 kgö mm 3。 约束条件根据弹簧功能的要求和结构限制列 出: ( 1 ) 刚 度 要 求 为 等 式 约 束 T ′= E d 4ö (3 670D 2n) ; (2) 弹簧钢丝直径 d 的限制范围为 219≤d ≤6 (扭转弹簧钢丝直径最大为 6 mm ) , 中 径D 2 的限制为D 2m in≤D 2≤D 2m ax , 设10≤D 2≤100, 工作圈数n 的限制为 4≤n ≤50; (3) 稳定性要求。 对钢制圆形截面材料的弹簧, 临界扭转变形角Υc= 2149Π; (4) 旋绕比的限制。旋绕比C 越小, 曲率越 大, 卷制越困难, 工作时弹簧材料截面内侧的切应 力大于均应力越多, 弹簧的刚度也越大。对于簧丝 直径在219～ 6 mm 之间, 旋绕比应在4～ 9 之间。 通过调用M A TLAB 优化工具箱非线性优化 函数, 最终得到某无人机折叠机翼扭转弹簧优化参 数。 3　展开机构运动仿真 基于几何模型的运动仿真方法, 又称为虚拟样 机 (V irtua l p ro to typ ing, V P 技术) [5 ] , 能够形象直 观地分析机构运动过程, 获得所关心的技术数据并 检查设计合理性。利用多体动力学仿真分析软件 (A u tom atic dynam ic analysis of m echan ica l sys2 tem s,ADAM S) , 对机构进行运动仿真分析。 311　运动仿真分析模型 某无人机折叠翼的展开机构的关键技术指标 是折叠翼的展开时间和展开结束瞬间的角速度。从 展开时间的角度来说, 由于折叠翼是在无人机离开 发射箱的一瞬间才展开锁定的, 因此, 为了保证无 人机能迅速转入飞行姿态, 折叠翼的展开时间应尽 可能短 (不超过 1 s)。此外, 为了减轻展开结束瞬 间, 折叠外翼对内翼的冲击, 展开结束瞬间外翼的 044 南　京　航　空　航　天　大　学　学　报 第 38 卷 角速度 (外翼的角速度终值)应保证为一较小的、能 使锁定装置完成锁定的值。 选定内翼作为外翼展开运动的参照物, 外翼的 展开运动可以视为绕固定铰链的单自由度回转运 动。因此, 整个折叠翼系统可以简化为由外翼、展开 机构 (扭簧、滑轮2钢丝绳系统)、铰链等部分组成的 机械系统。此外, 虽然外翼是由多个结构件 (墙、翼 肋等)组成的多刚体系统, 但是, 从结构可靠性的角 度来讲, 外翼的各组成部件之间不可能存在未约束 的相对运动自由度, 即各部件之间可以视为刚性连 接。因此, 可以将外翼这个多刚体系统融合退化为 一个单刚体系统。 对于折叠翼, 当外翼展开至水平位置与内翼完 成锁定后, 外翼展开运动应立即停止, 为了正确描 述这一现象, 需要在ADAM S 中对外翼的转角进行 跟踪并设定: 当外翼的转角等于零时, 折叠翼的运 动仿真停止。 312　运动仿真 利用所创建模型进行运动仿真, 得到了外翼的 展开运动特性如图 4 所示。由图可知, 外翼的展开 时间为01716 s, 随着时间的增加, 外翼的展开角度 逐渐增大, 最终的外翼展开角度为 135°(外翼折叠 时的角度)。与实测数据比较表明仿真结果可信, 具 有较高精度。 图 4　折叠机翼展开角度Α与时间 t 关系 (仿真) 4　实验情况 为了验证理论分析计算及仿真计算的正确性, 进行了折叠机翼的多次静态展开实验。实验件为 1∶1某无人机机翼扭簧折叠ö展开机构 (图5)。检测 系统由传感器、数据采集卡、支座、外翼转动输出轴 等组成。 实验情况表明: 折叠机翼展开正常, 可以达到 规定的展开角度并可靠锁定, 展开过程时间在 018 ±0102 s 之间, 见图 6, 与理论较为吻合, 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 设计 方案是可信、可行的。 图 5　扭簧折叠ö展开机构实验件 图 6　折叠机翼展开角度Α与时间 t 关系 (实测) 5　结束语 本文建立了无人机机翼折叠ö展开机构的数学 模型, 研究了机翼展开过程的运动特性, 获得了扭 簧主要结构及性能参数的优化值, 对创建的折叠翼 机械系统运动仿真分析模型进行运动仿真, 进行了 全尺寸折叠机翼实验件的多次静态展开实验, 实验 结果与理论设计基本吻合, 可以满足某无人机折叠 机翼的设计要求。 参考文献: [ 1 ]　张英会. 弹簧 [M ]. 北京: 机械工业出版社, 1982: 42 165. [2 ]　苏金明, 张莲花, 刘波, 等. M A TLAB 工具箱应用 [M ]. 北京: 电子工业出版社, 2004: 1902263. [ 3 ]　X i F, Fen ton R G. Coup ling effect of a flex ib le link and a flex ib le jo in t [J ]. In ternational Journal of Robo tics R esearch, 1994, 13 (5) : 4432453. [4 ]　林永, 张乐强. V isual Basic 610 用户编程手册 [M ]. 北京: 人民邮电出版社, 2002: 82133. [5 ]　N ie D atong. V irtual reality and virtual p ro to typ ing [ J ]. M easurem ent & Contro l T echno logy, 1995 (5) : 16218 144第 4 期 郭小良, 等: 无人机折叠机翼展开运动特性研究