引言
近年來,隨著電子信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)貿(mào)易的發(fā)展,網(wǎng)購已成為了國人生活的一部分,中國已經(jīng)成為全世界網(wǎng)絡(luò)交易金額最高的國家。人們通過網(wǎng)購買個人、家庭需要的服裝、食品、日用品等。而網(wǎng)購的日漸發(fā)展,也離不開物流的高效運轉(zhuǎn)。針對節(jié)省人力并克服運輸中地形復(fù)雜等困難的要求,我們提出了無人機物流配送的概念。
1無人機介紹
無人機指的是不載有操作人員,利用空氣動力起飛,可自主飛行或遙控駕駛的,可一次使用也可多次回收使用的,攜有致命或非致命載荷的飛行器。其在種類上分為無人直升機、無人飛艇、多旋翼無人機、固定翼無人機和無人傘翼機等。無人機配送,即通過自動駕駛儀或無線電設(shè)備對飛行器進行遙控并運載包裹自動到達目的地。
2無人機種類的選定與原理
根據(jù)無人機的分類,可知適合進行貨物運輸?shù)挠泄潭ㄒ頍o人機、四(多)旋翼無人機和無人直升機。固定翼無人機續(xù)航時間長,攜貨量大,航速快,對環(huán)境的適應(yīng)性好:但考慮到物流的"重災(zāi)區(qū)"主要是在擁擠嘈雜、人滿為患的市區(qū),固定翼無人機最突出的缺點使得它并不適用于這里一對起飛和降落的場地要求最高,而場地恰恰是城市中最為稀缺的。無人直升機懸停精度高,對場地的要求低,剛好彌補了固定翼無人機的不足:但其巨大的噪聲和龐大的結(jié)構(gòu)重量使其在城市中的運用頗為局限。而多旋翼無人機機動靈活,結(jié)構(gòu)重量小,對場地的要求較低,懸停精度極高,便于在城市內(nèi)穿梭,且多旋翼無人機多為純電驅(qū)動,燃料經(jīng)濟效益高,有助于降低運營成本。因此,我們在這里選擇四旋翼無人機來進行討論。
四旋翼無人機主要是靠四個旋翼的不同轉(zhuǎn)速組合來進行機動。如圖1所示,定義機體繞本體系x軸轉(zhuǎn)動的角度為滾轉(zhuǎn)角9,機體繞本體系y軸轉(zhuǎn)動的角度為俯仰角θ,機體繞本體系:軸轉(zhuǎn)動的角度為偏航角w,三個角當(dāng)轉(zhuǎn)動方向與旋轉(zhuǎn)軸符合右手定則時為正方向。
圖2所示為四旋翼無人機飛行原理圖。
由圖2(a)可知,螺旋獎分為正獎和反獎,以對角線上角速度方向相同為同一種螺旋獎。因為這樣才能讓其不產(chǎn)生水平扭矩,保持其不在水平方向上發(fā)生旋轉(zhuǎn)。當(dāng)四旋翼做垂直方向的運動時,若四個旋翼產(chǎn)生的升力大于重力,飛行器向上做加速運動:若旋翼產(chǎn)生的升力小于重力,飛行器向下做加速運動。當(dāng)四旋翼產(chǎn)生的升力與重力相同時,飛行器懸停。
由圖2(b)可知,當(dāng)對于飛行器對角線方向的電機(即旋轉(zhuǎn)方向相同的兩個電機)增加其中一個的轉(zhuǎn)速同時減小另一個相同量的轉(zhuǎn)速時,飛行器整體的水平扭矩依然保持平衡,但由于旋翼3的升力高于旋翼l,力矩的不平衡使得飛行器會繞y軸旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)四軸飛行器俯仰姿態(tài)的控制。
由圖2(c)可知,飛行器的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)控制操縱原理與俯仰姿態(tài)基本相同,不同之處在于產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差的為另一組電機。
如圖2(d)所示,當(dāng)其中一對旋翼的轉(zhuǎn)速均上升且另一對的轉(zhuǎn)速均下降時,機身的水平扭矩會不平衡,使機身繞:軸旋轉(zhuǎn),以實現(xiàn)對飛行器水平姿態(tài)的控制。
綜上,作為一種欠驅(qū)動系統(tǒng),四旋翼無人機通過控制電機1~4不同的轉(zhuǎn)速組合,可以在空間6自由度上實現(xiàn)不同運動。若將以上各種情況任意組合,還可以實現(xiàn)更加復(fù)雜的運動。
3可伸縮旋翼臂設(shè)計的提出與對其形變的分析
隨著物流企業(yè)的迅速發(fā)展,快遞包裹的種類越來越多。所以要想實現(xiàn)真正意義上的無人機快遞,就要在實現(xiàn)快遞包裝盒的標(biāo)準化基礎(chǔ)上實現(xiàn)無人機對包裹的高適應(yīng)性,為此,我們提出了可伸縮的旋翼機臂的設(shè)計理念。
四旋翼無人機的旋翼臂末端為升力的作用點,由于受到力的作用,旋翼臂的末端會產(chǎn)生一定量的形變,從而對飛行安全造成一定的隱患。
可伸縮機臂末端與基座固連,頂端受作用力F:根據(jù)截面的不同分為三個部分:
(1)僅有內(nèi)側(cè)固定機臂的一段,該段固定在機體上,是不可動的一段。如圖3所示,該段長為11。
(2)有外側(cè)與內(nèi)側(cè)機臂相互交錯的一段,該段中外側(cè)機臂與內(nèi)側(cè)機臂由移動副連接,是可動的。如圖3所示,該段長為12。
(3)僅有外側(cè)機臂的一段。該段單獨不可動,外端與螺旋獎相連。該段長為13。
圖3可伸縮機臂組成示意圖
圖4為橫截面一樣的桿件受力變形示意圖,其在末端受力為F時的變形為:
式中,1為長度:E為彈性模量:I為橫截面慣性矩。
根據(jù)上述結(jié)論,要得到在旋翼臂末端的總變形量,就得到三個不同截面的變形,三段形變量疊加即為最末端形變量,設(shè)11的形變量為w1,12的形變量為w2,13的形變量為w3,則總形變量w=w1+w2+w3。
4可伸縮旋翼臂截面幾何構(gòu)型的確定
根據(jù)形狀的不同,可將套筒分為圓形套筒和正方形套筒,如圖5所示。下面來討論圓形套筒與正方形套筒形變量的大小對比。
當(dāng)質(zhì)量、橫截面積與材料完全一致且套筒為圓形時,有:
根據(jù)公式,當(dāng)F、1、E相同時,w與I成反比,Ix圓=Iy圓>Ix方二w圓<w方,因此在其他條件完全相同的情況下,等橫截面積的圓形套筒和方形套筒中,圓形套筒的形變量較小。所以旋翼臂選擇圓形套筒,并采用可伸縮式。
5可伸縮旋翼臂的原理設(shè)計
如圖6所示,電機A可以在豎直方向上轉(zhuǎn)動,與齒輪通過螺旋副(1)相連接,齒輪B將電機的豎直方向轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為水平方向轉(zhuǎn)動,齒輪B與絲杠C和絲杠D相連接,絲杠將齒輪的水平旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為水平平移,實現(xiàn)套筒的伸縮。
由自由度公式可知:
由此可知,該機械僅有一個驅(qū)動即可確定其運動軌跡,可靠性較高。當(dāng)電機作為驅(qū)動時,可使圓錐齒輪進行旋轉(zhuǎn),帶動絲杠在旋轉(zhuǎn)的同時產(chǎn)生水平方向上的位移帶動移動副水平移動,實現(xiàn)旋翼臂的伸縮。
6結(jié)語
近年來,電商平臺的飛速發(fā)展極大地促進了物流企業(yè)的發(fā)展,并且在各個方面向著"更快"的方向發(fā)展乃是大勢所趨,這就對快遞行業(yè)的運輸方式提出了新的要求。僅僅依靠傳統(tǒng)的物流方式很難滿足新時代的要求,伴隨著科技的進步,無人機快遞物流應(yīng)運而生。但快遞包裹種類之繁多,使得傳統(tǒng)的無人機很難滿足貨運要求。針對這點,本文創(chuàng)新性地提出了可伸縮旋翼臂設(shè)計,使得未來的無人機能夠滿足快遞物流行業(yè)的需求,從而推動快遞行業(yè)的發(fā)展,在降低成本的同時提高運輸效率,因而具有廣闊的市場前景。
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