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折叠结构:无人机技术与艺术的融合点之一

2022-11-21 13:56:54来源: 无人机创新研究 作者:深无协 点击次数:4021次字号:|
折叠结构的应用既丰富了无人机应用场景,还为无人机功能变革提供强有力的技术支撑。

       

       无人机技术属于交叉学科,其所涉及的技术领域非常广泛。单从技术本身的共同点来看,技术主要指的是无人机在功能上、性能、需求上的客观实现,而艺术强调的则是无人机的审美、情感等文化属性。两者是相互补充,相互统一的关系。从产品设计角度来看,既要立足唯物来看产品的科学性,又要兼顾产品的艺术性,才能让产品具有更长的生命力。因此,技术与艺术一体化的核心设计理念必然会成为主流趋势。以无人机最基础、最直观的结构方向入手,以无人机折叠结为例。


折叠结构的两性

       结构设计的关键是合理的利用空间来实现无人机的功能价值,合理的空间就是根据无人机总体指标等参数,确定整机造型所用的空间,包括模块化、兼容性设计、多功能等设计要求。而折叠结构具有便携性、可收纳性、多功能性等显著特征,具有较强的空间管理能力,因此,折叠结构是检验空间造型的关键。但是,可折叠设计必然会导致整机结构在重量、成本上增加,可靠性相对降低。


折叠类型

       依据不同的标准,折叠结构有着不同的类型。

       折叠结构一般具有收纳和展开两种状态。其运用最广泛的折叠形式为轴心式折叠,即以一个或者多个轴心为中心折叠的结构。这种方式是强调的是“折”,例如,无人机机臂折叠结构,折叠机翼。第二类是平行式,利用几何学上的平行原理进行折动,包含了伸缩式、方向型等,例如直线舵机,滑槽式自锁安装结构。这种方式是强调的是“叠”。第三类是卷套式。即利用物体绕轴心缠绕的基本原理,实现物体展开与折叠,典型的代表系留无人绕线器。折叠结构的驱动方式主要有:手动式、液压或气压传动式、电机驱动、惯性力驱动、自伸展驱动、弹簧驱动式等等。


折叠结构本质

       折叠结构可分为刚体运动、刚体-变形运动。其中刚体运动在折叠展开过程中,受力分析一般采用线性理论分析;刚体-变形运动的刚性运动与变形运动互相耦合。在折叠展开的过程中,组成铰链的构件内产生内力,内力比较复杂,其运动形式需要用非线性理论来描述。

       利用折叠形式的基本原理及其组合形式可以有效的提高产品造型的空间利用率,根据产品功能先行的原则,再结合折叠结构工艺材料特性,进一步考量折叠结构在功能上的合理性,其次,折叠结构设计的关键-机构的节点,节点设计需满足折叠结构运动的可行性,且节点处不能有太大摩擦。最后,我们可以通过利用构件与节点的关系,对折叠结构的机构进行自由度计算,来判定折叠结构的稳定性特征。

便携式折叠

       对小型消费机无人机而言,满足所定义功能的前提下,产品的便携性以体积小、造型新颖、方便收纳等特点,进一步放大产品的个性化特征,更加满足用户审美情趣。从消费级的无人机来看,便携式设计基本是产品的标配,便携式设计所追求的永远是空间体积小,而随着无人机功能需求的增加,无人机的空间体积也在增加,便携性的的优势在逐渐降低,而折叠结构可以减缓便携性降低的趋势。便携式设计小型无人机除了尺寸要素之外,其重量、造型、功能、色彩等设计要素也属于工业设计考虑的范畴,需要结合无人机本身的功能去定义。此类产品以旋翼无人机为主,机臂的重量较小,对材料强度要求不高。其折叠功能基本形态表现为转轴式折叠,在收缩状态与展开状态,机臂根部具有定位锁紧功能。



易用性折叠

       带有折叠结构的无人机主要体现在无人机的人机交互的易用性,这种易用又为折叠结构提出了更高的要求,不仅要求在无人机在使用的过程中要使其能够快速进入其工作状态,又要求在使用完毕后无人机能够快速的收纳存储。因此,折叠结构还必须具备快拆、自锁定位的特点。旋翼无人机折叠结构多见于机臂,这类功能需求一般式手动折叠,当轴距较大时,通过上下或左右的折叠来减小存储、运输空间。近年来,随着无人机集群控制算法技术的发展,编队无人机在夜空中的应用场景越来越多。对密密麻麻的编队无人机的来说,使用、运输和存储是不容忽视的问题,而折叠结构加上筒射发射的形式或许可以很好的解决这个问题,同时,无人机与烟花的结合也显得更加紧密。



功能扩展式折叠

       巡飞弹作为一种新型的现代武器,机翼折叠与展开技术是筒射无人机关键技术之一。折叠结构的应用既丰富了无人机应用场景,还为无人机功能变革提供强有力的技术支撑,以折叠技术的实用性为基础,让无人机与导弹结合成为可能,在造型上的创新让人眼前一亮,其艺术属性得以彰显。机翼展开驱动方式主要有燃气制动、电机驱动、弹簧驱动。大多数巡飞弹是基于弹簧转轴式折叠结构,其优点是结构展开时间快,系统响应快,便于飞控控制。



提升性能式折叠

       采用新型记忆合金材料和电控系统替代传统液压驱动系统,大幅度减少机翼重量,再结合合理的折叠结构设计可以有效的改变无人机的气动布局,实现不同条件下的飞状态的调整。这种特征主要用于固定翼无人机机翼空中变形的折叠方式,机翼可以分几段折叠。折叠不同角度会影响机翼的上反角与后掠角等气动特征。当机翼全部展开以得到大的升阻比,长的留空时间,利于起飞或巡航,在高速或机动飞行时,机翼折叠以减小飞行阻力,得到较高速度。对于舰载的大型无人机,对无人机可收纳性要求比较高,不管是手动折叠机翼还是自动折叠机翼,都需要合理的折叠结构来实现。



扩展新应用场景

       通过使用折叠结构,扩展无人机的应用场景,可以打造具备路空多功能的小型侦查无人机,提高无人机的环境适应能力。使用轮子或履带在地面行驶执行侦查任务的无人机比旋翼无人机在空中消耗的功率要低很多,但这种使用轮子或履带的机器人往往受到地形的限制,如果将地面系统与旋翼无人机相结合,通过合理的折叠结构,将旋翼系统与轮毂系统有效的结合起来,将整机能耗做到最优,可以全方位提高无人机性能和侦察的持续时间,前景较好。



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