技术领域
[0001] 本
发明属于石油化工管道巡线及压
力罐、储料罐无人机探伤技术 领域，具体涉及一种无人机防碰撞保护笼的设计方法；还涉及一种无 人机防碰撞保护笼。
背景技术
[0002] 随着科技的发展，一些在军用领域才能涉及的产品也逐渐在民用 领域迅速发展，无人机行业便是这一变化的佼佼者。如今，无人机广 泛应用于工业领域。早期，石油
天然气行业的管道巡线只能通过人工 完成，但自从无人机的普及，通过无人机进行管道巡线不仅效率高， 耗费人力少，而且还避免了人工巡线的死
角。但是，一些管道，罐体 等内部空间监测的场合仍然只能通过人工完成。受制无人机技术的主 要原因是，无人机由于飞行速度快，需要飞手操控，大多用于室外等 飞行空间宽敞，
视野开阔的场合，这样，飞手可以通过控制无人机避 免与障碍物发生碰撞，而在空间狭小的环境中飞行会使无人机很容易 发生碰撞，对无人机安全构成威胁，所以无人机的避障手段和避障技 术对无人机的进一步发展至关重要，避障手段的创新无异于一次无人 机的技术革新。
[0003] 小型自主导航无人机避障系统依然是小型无人机发展和突破的 关键技术。设计高效、简单的自动避障系统，保障无人机空中作业的 安全是亟待解决的问题。国内外在小型多旋翼无人机避障系统的应用 还很少，所提出的各种避障方法和思想，大多处于仿真阶段，其有效 性也有待验证，少有真正使用的避障系统。
[0004] 对石油化工管道及一些压力罐、储料罐等内部空间进行检查，如 果采用无人机就可能由于空间狭小使得无人机与罐体和管道内壁发 生碰撞。
发明内容
[0005] 本发明的第一个目的是提供一种无人机防碰撞保护笼，制造和装 配简单，有较高的实用性。
[0006] 本发明的第二个目的是提供一种无人机防碰撞保护笼的设计方 法，直接指导保护笼的设计过程，不仅对设计过程提供精确的数据支 撑，而且也使结构更容易满足设计要求。
[0007] 本发明所采用的第一个技术方案是，一种无人机防碰撞保护笼， 由90根
碳纤维管、60个连接件a装配而成；这90根
碳纤维管、60 个连接件a构成20个正六边形和12个正五边形；这20个正六边形 的排列与
足球上白
块的排列一致；这12个正五边形的排列与足球上 黑块的排列一致。
[0008] 本发明的特点还在于：
[0009] 碳纤维管管长L＝80mm，壁厚S＝1.5mm，外径D＝6mm。
[0010] 保护笼内还设置有无人机固定机构。
[0011] 无人机固定机构包括环形杆；环形杆一条直径的两端分别对应铰 接
连接杆a、连接杆b的一端，连接杆a、连接杆b的另一端均与连 接件a铰接；
[0012] 还包括
横杆；横杆过环形杆的圆心，且横杆两端均与环形杆铰接；
[0013] 横杆中央垂直于其设置有球
铰链；球铰链a侧固接有连接件b； 球铰链b侧固接有连接件c；a侧与b侧相对。
[0014] 连接杆a、连接杆b所在的直线与横杆相互垂直。
[0015] 本发明所采用的第二个技术方案是，一种无人机防碰撞保护笼的 设计方法，具体按照以下步骤实施：
[0016] 步骤1、仿照足球结构生成初始保护笼三维模型；
[0017] 步骤2、根据初始保护笼三维模型确定单元体中碳纤维管尺寸参 数的变量；
[0018] 步骤3、依次对各变量所对应的初始保护笼三维模型单元体中连 接件a的同一点同一方向施加两组
载荷，通过
有限元分析确定模型的 力学性能；
[0019] 步骤4、根据力学特性确定碳纤维管尺寸参数，进而确定最终保 护笼三维模型。
[0020] 本发明的特点还在于：
[0021] 步骤2中，单元体中碳纤维管尺寸参数的变量有三个，分别为： 管长L、壁厚S、外径D。
[0022] 步骤3具体过程如下：
[0023] 步骤3.1、确定材料属性；定义约束条件；当保护笼与障碍物发 生碰撞时，直接受力点为保护笼碳纤维管的连接件a2处，连接件a2 球体表面受点载荷，因此加载为集中力载荷；单元体的三个碳纤维管 与连接件a2处会存在
接触，保护笼的各个碳纤维管材与连接件a2为 固定接触。
[0024] 步骤3.2、将碳纤维管的外径D、壁厚S保持不变，改变管长L； 分别对管长70mm、75mm、80mm、85mm、90mm，外径为6mm， 内径为4mm的五组值对应的模型进行有限元分析；分析当载荷的大 小设置为500N和1000N时模型的
变形情况；
[0025] 步骤3.3、将碳纤维管的外径D、管长L保持不变，改变壁厚S； 分别对壁厚为0.5mm、0.75mm、1mm、1.25mm、1.5mm，外径为6mm 的五组值对应的模型进行有限元分析；分析当载荷的大小设置为 500N和1000N时模型的变形情况；
[0026] 步骤3.4将碳纤维管的壁厚S、管长L保持不变，改变内径和外 径D；分别对尺寸参数(外径/mm X内径/mm)6mm×4mm、 5mm×3mm、4mm×2mm、3mm×1mm的四组值对应的模型进行有 限元分析；分析当载荷的大小设置为500N和1000N时模型的变形情 况；
[0027] 得到模型的力学性能为：随着碳纤维管管长L的减小、壁厚S 的增加、外径D的增加模型的力学性能越好。
[0028] 步骤4的具体过程如下：
[0029] 标准最小人洞的直径为400mm，因此保护笼的直径应接近这一 值；经过计算，管长L为80mm时，保护笼理论球径为396.48mm； 根据步骤3的模型力学性能，选用壁厚S＝1.5mm，外径D＝6mm的管 作为保护笼的尺寸。
[0030] 单元体由3根碳纤维管(1)以及连接3根碳纤维管(1)的连接 件a(2)装配而成。
[0031] 本发明的有益效果是：
[0032] 本发明一种无人机防碰撞保护笼，是对于无人机在石油化工管道 及压力罐、储料罐管内巡线中，为避免无人机发生碰撞而提供的一种 解决方案。现有的无人机避障方案，大多为对无人机飞控系统进行优 化，这些是
软件方面的调整，而本发明通过简单巧妙的机械结构避免 了大量软件优化；在实际飞行中产生碰撞时，由于连接无人机与保护 笼的
万向节系统会将无人机飞行时受到的力与力矩由三个旋转副分 解掉，不会使无人机产生附加力与力矩；保护笼是通过尺寸参数相同 的60个连接件和90根碳纤维管连接起来构成一个类球体，制造和装 配简单，有较高的实用性。
[0033] 本发明无人机防碰撞保护笼的设计方法，是设计无人机防碰撞保 护笼的过程中，为了得到最佳的模型尺寸而产生的系统的分析方法。 现有的无人机避障方案，大多为对无人机飞控系统进行优化，这些是 软件方面的调整，而本发明通过简单巧妙的机械结构避免了大量软件 优化；现今的有限元分析大多为验证结构的
稳定性和安全性，是对确 定设计参数的装置进行分析，而本发明的有限元分析方法直接指导保 护笼的设计过程，不仅对设计过程提供精确的数据
支撑，而且也使结 构更容易满足设计要求。
附图说明
[0034] 图1是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法步骤1中初始 保护笼三维模型；
[0035] 图2是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法步骤3中单元
体模型；
[0036] 图3是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中加载示意 图；
[0037] 图4是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中网格划分 示意图；
[0038] 图5是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中单元体几 何模型；
[0039] 图6是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中O-A向受 力示意图；
[0040] 图7是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中O-B向受 力示意图；
[0041] 图8是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中O-C向受 力示意图；
[0042] 图9是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中碳纤维管 管长为70mm时的变形
云图；
[0043] 图10是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中碳纤维管 管长为75mm时的变形云图；
[0044] 图11是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中碳纤维管 管长为80mm时的变形云图；
[0045] 图12是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中碳纤维管 管长为85mm时的变形云图；
[0046] 图13是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中碳纤维管 管长为90mm时的变形云图；
[0047] 图14是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中碳纤维管 管长最大变形量折线图；
[0048] 图15是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中碳纤维管 壁厚最大变形量折线图；
[0049] 图16是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中碳纤维管 内径和外径最大变形量折线图；
[0050] 图17是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中单元体中 O-A向最大变形量折线图；
[0051] 图18是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中单元体中 O-B向最大变形量折线图；
[0052] 图19是本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法中单元体中 O-C向最大变形量折线图；
[0053] 图20是本发明一种无人机防碰撞保护笼的主视图；
[0054] 图21是本发明一种无人机防碰撞保护笼的俯视图；
[0055] 图22是本发明一种无人机防碰撞保护笼连接模型；
[0056] 图23是图22中A处局部放大图；
[0057] 图24是图22中B处局部放大图；
[0058] 图25是图20中C处局部放大图；
[0059] 图26是本发明一种无人机防碰撞保护笼与无人机连接的原理图。
[0060] 图中，1.碳纤维管，2.连接件a，3.环形杆，4.横杆，5.连接 件b，6.连接件c，7.连接杆a，8.连接杆b。
具体实施方式
[0061] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0062] 本发明一种无人机防碰撞保护笼的设计方法，具体按照以下步骤 实施：
[0063] 步骤1、仿照足球结构生成初始保护笼三维模型(如图1所示)。
[0064] 步骤2、根据初始保护笼三维模型确定单元体(如图2所示)中 碳纤维管尺寸参数(如表1所示)的变量；得到单元体中碳纤维管尺 寸参数的变量有三个：单管长L、壁厚S、外径D；
[0065] 其中，单元体由3根碳纤维管1以及连接3根碳纤维管1的连接 件a2装配而成。
[0066] 步骤3、依次对各变量(如表2所示)所对应的初始保护笼三维 模型单元体中连接件a2的同一点同一方向施加500N和1000N两组 载荷，通过有限元分析确定模型的力学性能；得到结果为：随着碳纤 维管管长L的减小、壁厚S的增加、外径D的增加模型的力学性能 越好；
[0067] 有限元分析过程具体如下：
[0068] 步骤3.1、材料属性：日本东丽碳纤维T700S-12K，具体参数如 表3所示；
[0069] 对模型进行网格划分：连接件a2采用四面体网格划分，碳纤维 管采用扫掠网格划分(如图4所示)；
[0070] 定义约束条件：当取单元体分析时，三个碳纤维杆的末端与初始 保护笼三维模型连接，故此处为固定约束；
[0071] 当保护笼与障碍物发生碰撞时，直接受力点为保护笼碳纤维管的 连接件a2处，由于连接件a2球体表面受点载荷，所以加载为集中力 载荷，方向如图6所示；
[0072] 模型单元的三个碳纤维管材与连接件a2处会存在接触，由于保 护笼的各个碳纤维管材与连接件a2通过胶粘连接，所以为固定接触。
[0073] 步骤3.2、将碳纤维管的外径D、壁厚S保持不变，改变管长L； 分别对管长70mm、75mm、80mm、85mm、90mm，外径为6mm， 内径为4mm的五组值对应的模型进行有限元分析，对应的变形图如 图9、图10、图11、图12、图13所示；分析当载荷的大小设置为 500N和1000N时模型的变形情况，最大变形量折线图如图14所示；
[0074] 步骤3.3、将碳纤维管的外径D、管长L保持不变，改变壁厚S； 分别对壁厚为0.5mm、0.75mm、1mm、1.25mm、1.5mm，外径为6mm 的五组值对应的模型进行有限元分析；得到当载荷的大小设置为 500N和1000N时模型的变形情况，最大变形量折线图如图15所示；
[0075] 步骤3.4、将碳纤维管的壁厚S、管长L保持不变，改变内径和 外径D；分别对尺寸参数(外径/mm X内径/mm)6mm×4mm、 5mm×3mm、4mm×2mm、3mm×1mm的四组值对应的模型进行有 限元分析；得到当载荷的大小设置为500N和1000N时模型的变形情 况，最大变形量折线图如图16所示。
[0076] (1)由于标准最小人洞的直径为400mm，所以保护笼的直径应 接近这一值；管长L为80mm时，对应的无人机保护笼理论球径为 396.48mm；根据以上分析，杆径越大，壁厚越大，力学性能越好； 最终选用外径为6mm，内径为3mm的杆长作为保护笼的尺寸。
[0077] (2)如图3所示，将单元体构建成研究模型；在图中，OA管、 OB管、OC管为图2中单元体的三根碳纤维管，O处即为连接件a2； 先将这一分析模型做以下处理：
[0078] 如图5所示，A、B、C构成一个平面α，过O作平面α的垂线 OD；根据三维模型的几何关系，∠AOB＝108度、∠BOC＝∠COA＝120 度；通过O点受点载荷的特点，拟定以下三种方案，通过这三组方 案中有限个数的受力点分析，从而得到受碰撞时该点受力的一般结论：
[0079] O-A向受力分析：如图6所示，∠AOA-1＝180度、∠AOA-2＝165 度、∠AOA-3＝150度、∠AOA-4＝135度、∠AOA-5＝120度、∠ AOD＝101.6406度(OD⊥平面α)、∠AOA-7＝90度。分别在连接件 球体表面上A-1O向、A-2O向、A-3O向、A-4O向、A-5O向、DO 向、A-7O向施加F＝
1000N的点载荷；并进行求解；根据对应模型的 整体变形的等值线云图得出最大变形量折线图(如图17所示)；
[0080] O-B向受力分析：如图7所示，∠BOB-1＝180度、∠BOB-2＝165 度、∠BOB-3＝150度、∠BOB-4＝135度、∠BOB-5＝120度、∠ BOD＝101.6406度(OD⊥平面α)、∠BOB-7＝90度。B-1O向、B-2O 向、B-3O向、B-4O向、B-5O向、DO向、B-7O向施加载荷F＝1000N 的点载荷；并进行求解；根据对应模型的整体变形的等值线云图得出 最大变形量折线图(如图18所示)；
[0081] O-C向受力分析：如图8所示，∠COC-1＝180度、∠COC-2＝165 度、∠COC-3＝150度、∠COC-4＝135度、∠COC-5＝120度、∠ COD＝101.6406度(OD⊥平面α)、∠COC-7＝90度。C-1O向、C-2O 向、C-3O向、C-4O向、C-5O向、DO向、C-7O向施加载荷F＝1000N 的点载荷；并进行求解；根据对应模型的整体变形的等值线云图得出 最大变形量折线图(如图19所示)；
[0082] (3)由上可得，受力方向为OD(OD⊥平面α)时，保护笼形 变量最大。下面的保护笼受力极限分析皆基于这一受力方向。为了便 于得出数据，上面分析施加的载荷均为点载荷；而实际保护笼与障碍 物发生碰撞不都是点受力，而是在一个很小的接触面上受到较大压力 (近似视为点载荷)，为了得到可靠的数据，将单元体受力看做半径 为1mm的圆形区域内压力载荷。
[0083] 步骤4、根据力学特性确定碳纤维管尺寸参数，进而确定最终保 护笼三维模型；最终保护笼三维模型的碳纤维管尺寸参数为：管长 L＝80mm，壁厚S＝1.5mm，外径D＝6mm。
[0084] 如图20-图22所示，本发明一种无人机防碰撞保护笼，由90根 碳纤维管1、60个连接件a2装配而成；这90根碳纤维管1、60个连 接件a2构成20个正六边形和12个正五边形；这20个正六边形的排 列与足球上白块的排列一致；这12个正五边形的排列与足球上黑块 的排列一致。
[0085] 碳纤维管1管长L＝80mm，壁厚S＝1.5mm，外径D＝6mm。
[0086] 保护笼内还设置有无人机固定机构。
[0087] 如图23所示，还包括横杆4；横杆4过环形杆3的圆心，且横 杆4两端均与环形杆3铰接；
[0088] 如图24所示，无人机固定机构包括环形杆3；环形杆3一条直 径的两端分别对应铰接连接杆a7、连接杆b8的一端，连接杆a7、连 接杆b8的另一端均与连接件a2铰接；
[0089] 如图25所示，横杆4中央垂直于其设置有球铰链(如图25所示)； 球铰链a侧固接有连接件b5；球铰链b侧固接有连接件c6；a侧与b 侧相对；其中，连接件b5用于连接无人机；连接件c6用于连接无人 机记载设备。
[0090] 连接杆a7、连接杆b8所在的直线与横杆4相互垂直。
[0091] 一、测定安全系数及最大承载力
[0092] 将图2的模型(管长80mm，外径6mm，内径3mm)导入ANSYS 软件中，和上面分析相同：定义材料属性；划分网格；添加约束条件； 选用接触类型。与之前载荷添加不同，此处添加压力载荷，受力面为 连接件a2表面半径为1mm的圆形小平面，压力方向为平面法向(此 平面∥平面α)。
[0093] 通过给定压力值，分析对应压力值下模型的安全系数，整体变形云图，
应力云图，应变云图。根据云图和添加的载荷得到最大承载力数据，如表4 所示。由表4可得，随着
选定安全系数的增大，对应点载荷受力，即材料最 大承载力随之减小。
[0094] 由于无人机在飞行中不能出现任何设计带来的危险，所以安全系 数为2.0；对应无人机保护笼的最大承载力F＝1.41×104N。
[0095]
[0096] 表2变量组数据
[0097]
[0098] 表3东丽T700S-12K参数
[0099]
[0100] 表4不同安全系数对应的最大承载力
[0101]
[0102] 本发明一种无人机防碰撞保护笼，是对于无人机在石油化工管道 及压力罐、储料罐管内巡线中，为避免无人机发生碰撞而提供的一种 解决方案。现有的无人机避障方案，大多为对无人机飞控系统进行优 化，这些是软件方面的调整，而本发明通过简单巧妙的机械结构避免 了大量软件优化；在实际飞行中产生碰撞时，由于连接无人机与保护 笼的万向节系统会将无人机飞行时受到的力与力矩由三个旋转副分 解掉，不会使无人机产生附加力与力矩；保护笼是通过尺寸参数相同 的60个连接件和90根碳纤维管连接起来构成一个类球体，制造和装 配简单，有较高的实用性。
[0103] 本发明无人机防碰撞保护笼的设计方法，是设计无人机防碰撞保 护笼的过程中，为了得到最佳的模型尺寸而产生的系统的分析方法。 现有的无人机避障方案，大多为对无人机飞控系统进行优化，这些是 软件方面的调整，而本发明通过简单巧妙的机械结构避免了大量软件 优化；现今的有限元分析大多为验证结构的稳定性和安全性，是对确 定设计参数的装置进行分析，而本发明的有限元分析方法直接指导保 护笼的设计过程，不仅对设计过程提供精确的数据支撑，而且也使结 构更容易满足设计要求。
