本發(fā)明涉及一種小型無人機撞網吸能回收裝置及其設計方法，屬于無人機回收技術領域。

背景技術：

無人駕駛飛機簡稱“無人機”，英文縮寫為“UAV”，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。

目前常見的無人機回收方式主要有傘降回收、撞網回收和著陸滑跑等類型，其中，撞網回收方式適合固定翼無人機在狹窄回收場地或艦艇上使用。國外對無人機撞網回收的研究始于20世紀70年代末，目前為止，已有“先鋒”、“天鷹座/蒼鷹”、“銀狐”、“殺人蜂”、“偵察兵”等多型無人機成功地使用了撞網回收系統(tǒng)。中國國內對無人機撞網回收技術的研究始于20世紀90年代初，包括撞網回收地面攔截裝置的研究、艦載撞網回收技術研究和撞網回收系統(tǒng)研究等。目前常用的無人機撞網回收系統(tǒng)主要包括攔阻網、立柱、導引索、阻尼器、拉帶、牽引裝置和滑輪等部分，常用的吸能關鍵部件為渦輪阻尼器。由于渦輪阻尼器設計復雜，制造成本較高，不適合小型無人機的回收。因此，如何設計簡單、經濟、有效的吸能裝置回收小型無人機是現(xiàn)有技術有待解決的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種結構簡單、效果顯著的小型無人機撞網吸能回收裝置及其設計方法。

本發(fā)明通過以下技術方案來實現(xiàn)上述目的：

一種小型無人機撞網吸能回收裝置，包括一張軟網、多根彈簧、四根豎桿、兩根第一橫桿和兩根第二橫桿，以所述吸能回收裝置回收無人機的方向為前方，所述軟網除邊緣外的部分后移形成袋狀，所述軟網的邊緣形成一個四方形開口，相互平行的多根所述彈簧的一端均勻安裝于所述軟網的四方形開口的四邊，四根所述豎桿的下端固定于地面，兩根相互平行且上下分布的所述第一橫桿的兩端分別與前面兩根所述豎桿的上端和下段連接，兩根相互平行且左右分布的所述第二橫桿的兩端分別與后面兩根所述豎桿的上端和上方的所述第一橫桿靠近兩端的位置連接，所述第一橫桿和所述第二橫桿相互垂直，多根所述彈簧的另一端均勻安裝于由兩根所述第一橫桿和前面兩根豎桿形成的四方形桿體上。使用時，無人機從軟網的四方形開口進入，在彈簧拉力作用下實現(xiàn)緩沖，完成回收。

作為優(yōu)選，四根所述豎桿、兩根所述第一橫桿和兩根所述第二橫桿均為鋼管，軟網一般采用塑料繩制作而成，彈簧為螺旋形彈簧；所述豎桿的高度為5m、直徑為40mm、壁厚為4mm。

一種小型無人機撞網吸能回收裝置的設計方法，包括以下步驟：

(1)計算無人機動能：

撞網時刻無人機飛行速度V₀，無人機質量m，通過公式(1)計算無人機動能：

式中，U_uav為無人機撞網時刻的動能，單位J；

(2)計算彈簧結構參數，包括以下步驟：

(2.1)設定彈簧數量n、彈簧簧絲直徑d、彈簧圈數n_s；

(2.2)由彈簧數量計算豎桿的彈性能U_re；

(2.3)由彈簧簧絲直徑d計算彈簧彈性能U_se；

(2.4)由彈簧數量、豎桿彈性能U_re和彈簧彈性能U_se計算彈簧塑性能U_sp；

(2.5)判斷彈簧塑性能U_sp是否小于等于零；

(2.6)若步驟(2.5)的判斷結果為是，則返回步驟(2.1)，或減小彈簧數量n，或減小彈簧簧絲直徑d，或者減小彈簧圈數n_s；

(2.7)若步驟(2.5)的判斷結果為否，則由彈簧塑性能U_sp計算彈簧簧絲扭轉角變化ΔΦ；

(2.8)由彈簧簧絲直徑d、彈簧圈數n_s計算彈簧中徑D；

(2.9)由簧絲扭轉角變化ΔΦ、彈簧中徑D計算彈簧塑性拉伸長度H；

(2.10)由彈簧圈數n_s計算彈簧絲長度L；

(2.11)判斷彈簧塑性拉伸長度H是否大于彈簧絲長度L；

(2.12)若步驟(2.11)的判斷結果為是，則返回步驟(1)，或增大彈簧數量n，或增大彈簧簧絲直徑d，或者彈簧圈數n_s；

(2.13)若步驟(11)的判斷結果為否，則完成彈簧結構參數計算。

作為優(yōu)選，所述步驟(2.2)的計算方法為：

豎桿受彈簧拉力產生彈性變形，通過公式(2)計算每根豎桿的應變能：

式中：U_re為豎桿在彈性段的應變能，單位J；M_re為豎桿橫截面的彎矩，單位m².N；G_r為豎桿材料的剪切模量，單位P_a；J_rp為豎桿橫截面的極慣性距，單位m⁴；l_r為豎桿高度，單位m。

所述步驟(2.3)的計算方法為：

通過公式(3)計算每個彈簧在彈性段的應變能：

式中：U_se為彈簧在彈性段的應變能，單位J；M_se為彈簧簧絲開始屈服時刻對應的簧絲橫截面的扭矩，單位m².N；G_s為彈簧簧絲的剪切模量，單位P_a；J_sp為彈簧簧絲橫截面的極慣性距，單位m⁴；l為彈簧簧絲長度，單位m。

所述步驟(2.4)的計算方法為：

通過公式(4)計算彈簧塑性段的應變能：

式中：N為豎桿數量，n為彈簧數量。

所述步驟(2.7)的計算方法為：

假設彈簧簧絲為理想塑性材料，通過公式(5)計算彈簧簧絲塑性段的扭轉角增量：

式中：ΔΦ為彈簧簧絲塑性段的扭轉角增量；T_se為彈簧簧絲塑性段扭轉力矩，單位N.m。

所述步驟(2.8)的計算方法為：

通過公式(6)計算彈簧中徑：

式中：D為彈簧中徑，單位m；τ_se為彈簧簧絲剪切屈服強度，單位P_a；d為彈簧簧絲直徑，單位m；n_g為無人機回收最大過載；g為重力加速度，單位m/s²；m為無人機質量，單位kg；n為彈簧數量。

所述步驟(2.9)的計算方法為：

通過公式(7)計算彈簧塑性拉伸長度：

式中：H為彈簧塑性拉伸長度，單位m。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明所述小型無人機撞網吸能回收裝置采用拉伸彈簧作為吸能部件，通過彈簧的塑性變形吸收無人機動能，其結構簡單、便于制作、成本低廉、便于應用，并在確保安全回收小型無人機的同時盡量節(jié)約材料，降低成本，效果顯著。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述小型無人機撞網吸能回收裝置的立體圖；

圖2是本發(fā)明所述小型無人機撞網吸能回收裝置去掉軟網和彈簧后的立體圖；

圖3是本發(fā)明所述小型無人機撞網吸能回收裝置的彈簧的主視結構示意圖圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明：

如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明所述小型無人機撞網吸能回收裝置包括一張軟網2、多根彈簧1、四根豎桿、兩根第一橫桿和兩根第二橫桿，四根豎桿分別為豎桿3、5、9、10，兩根第一橫桿分別為第一橫桿6、7，兩根第二橫桿分別為第二橫桿4、8，以所述吸能回收裝置回收無人機的方向為前方，軟網2除邊緣外的部分后移形成袋狀，軟網2的邊緣形成一個四方形開口，相互平行的多根彈簧1的一端均勻安裝于軟網2的四方形開口的四邊，四根豎桿3、5、9、10的下端固定于地面，兩根相互平行且上下分布的第一橫桿6、7的兩端分別與前面兩根豎桿3、9的上端和下段連接，兩根相互平行且左右分布的第二橫桿4、8的兩端分別與后面兩根豎桿5、10的上端和上方的第一橫桿6靠近兩端的位置連接，第一橫桿6、7分別和第二橫桿4、8相互垂直，多根彈簧1的另一端均勻安裝于由兩根第一橫桿6、7和前面兩根豎桿3、9形成的四方形桿體上；四根豎桿3、5、9、10、兩根第一橫桿6、7和兩根第二橫桿4、8均為鋼管，軟網2一般采用塑料繩制作而成，彈簧1為螺旋形彈簧；豎桿3、5、9、10的高度為5m、直徑為40mm、壁厚為4mm。

如圖1所示，使用時，無人機從軟網2的四方形開口進入，在彈簧1的拉力作用下實現(xiàn)緩沖，完成回收。

結合圖1-圖3，本發(fā)明所述小型無人機撞網吸能回收裝置的設計方法，包括以下步驟：

(1)計算無人機動能：

撞網時刻無人機飛行速度V₀，無人機質量m，通過公式(1)計算無人機動能：

式中，U_uav為無人機撞網時刻的動能，單位J；

(2)計算彈簧1的結構參數，包括以下步驟：

(2.1)設定彈簧1的數量n、彈簧1的簧絲直徑d、彈簧1的圈數n_s；

(2.2)由彈簧1的數量計算豎桿3、5、9、10(下文直接以“豎桿”表示其中一根豎桿或所有豎桿，不用標記數字)的彈性能U_re；

本步驟具體計算方法為：

豎桿受彈簧1的拉力產生彈性變形，通過公式(2)計算每根豎桿的應變能：

式中：U_re為豎桿在彈性段的應變能，單位J；M_re為豎桿橫截面的彎矩，單位m².N；G_r為豎桿材料的剪切模量，單位P_a；J_rp為豎桿橫截面的極慣性距，單位m⁴；l_r為豎桿高度，單位m；

(2.3)由彈簧1的簧絲直徑d計算彈簧1的彈性能U_se；

本步驟具體計算方法為：通過公式(3)計算每個彈簧1在彈性段的應變能：

式中：U_se為彈簧1在彈性段的應變能，單位J；M_se為彈簧1的簧絲開始屈服時刻對應的簧絲橫截面的扭矩，單位m².N；G_s為彈簧1的簧絲的剪切模量，單位P_a；J_sp為彈簧1的簧絲橫截面的極慣性距，單位m⁴；l為彈簧1的簧絲長度，單位m；

(2.4)由彈簧1的數量、豎桿彈性能U_re和彈簧1的彈性能U_se計算彈簧1的塑性能U_sp；

本步驟具體計算方法為：

通過公式(4)計算彈簧1的塑性段的應變能：

式中：N為豎桿數量，本例為4，n為彈簧1的數量；

(2.5)判斷彈簧1的塑性能U_sp是否小于等于零；

(2.6)若步驟(2.5)的判斷結果為是，則返回步驟(2.1)，或減小彈簧1的數量n，或減小彈簧1的簧絲直徑d，或者減小彈簧1的圈數n_s；

(2.7)若步驟(2.5)的判斷結果為否，則由彈簧1的塑性能U_sp計算彈簧1的簧絲扭轉角變化ΔΦ；

本步驟具體計算方法為：

假設彈簧1的簧絲為理想塑性材料，通過公式(5)計算彈簧1的簧絲塑性段的扭轉角增量：

式中：ΔΦ為彈簧1的簧絲塑性段的扭轉角增量；T_se為彈簧1的簧絲塑性段扭轉力矩，單位N.m；

(2.8)由彈簧1的簧絲直徑d、彈簧1的圈數n_s計算彈簧1的中徑D；

本步驟具體計算方法為：

通過公式(6)計算彈簧1的中徑：

式中：D為彈簧1的中徑，單位m；τ_se為彈簧1的簧絲剪切屈服強度，單位P_a；d為彈簧1的簧絲直徑，單位m；n_g為無人機回收最大過載；g為重力加速度，單位m/s²；m為無人機質量，單位kg；n為彈簧1的數量；

(2.9)由簧絲扭轉角變化ΔΦ、彈簧1的中徑D計算彈簧1的塑性拉伸長度H；

本步驟具體計算方法為：

通過公式(7)計算彈簧1的塑性拉伸長度：

式中：H為彈簧1的塑性拉伸長度，單位m；

(2.10)由彈簧1的圈數n_s計算彈簧絲長度L；

(2.11)判斷彈簧1的塑性拉伸長度H是否大于彈簧絲長度L；

(2.12)若步驟(2.11)的判斷結果為是，則返回步驟(1)，或增大彈簧1的數量n，或增大彈簧1的簧絲直徑d，或者彈簧1的圈數n_s；

(2.13)若步驟(11)的判斷結果為否，則完成彈簧1的結構參數計算。

結合圖1-圖3，下面以一個具體實施例說明本小型無人機撞網吸能回收裝置的設計過程：

小型無人機質量4kg、撞靶速度20m/s、展長1m，要求最大回收過載為10。

步驟一：彈簧1的簧絲材料按照《一般用途低碳鋼絲YBT-5294-2006》選取，則彈簧簧絲材料的彈性模量E約200GPa，剪切模量G約77GPa；

步驟二：按公式(1)計算無人機撞靶動能為800J；設定彈簧1的數量為18個、彈簧1的簧絲直徑Ф3.55mm，彈簧1的圈數10；由公式(2)～公式(7)計算得到彈簧1的塑性能41J，彈簧1的塑性拉伸長度3.7m，彈簧1的絲長度4.7m，彈簧1的塑性能大于零，并且彈簧1的塑性拉伸長度H大于彈簧1的彈簧絲長度L，選定的彈簧1的材料和設定的彈簧1的結構參數滿足要求。

根據獲得的彈簧1的結構參數開展回收試驗驗證，試驗表明，本吸能回收裝置實現(xiàn)了質量4kg、撞靶速度20m/s的無人機的回收，回收最大過載10.1g。

上述實施例只是本發(fā)明的較佳實施例，并不是對本發(fā)明技術方案的限制，只要是不經過創(chuàng)造性勞動即可在上述實施例的基礎上實現(xiàn)的技術方案，均應視為落入本發(fā)明專利的權利保護范圍內。