引言

近年來(lái),隨著電子信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)貿(mào)易的發(fā)展,網(wǎng)購(gòu)已成為了國(guó)人生活的一部分,中國(guó)已經(jīng)成為全世界網(wǎng)絡(luò)交易金額最高的國(guó)家。人們通過(guò)網(wǎng)購(gòu)買個(gè)人、家庭需要的服裝、食品、日用品等。而網(wǎng)購(gòu)的日漸發(fā)展,也離不開物流的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。針對(duì)節(jié)省人力并克服運(yùn)輸中地形復(fù)雜等困難的要求,我們提出了無(wú)人機(jī)物流配送的概念。

1無(wú)人機(jī)介紹

無(wú)人機(jī)指的是不載有操作人員,利用空氣動(dòng)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(wú)人直升機(jī)、無(wú)人飛艇、多旋翼無(wú)人機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人傘翼機(jī)等。無(wú)人機(jī)配送,即通過(guò)自動(dòng)駕駛儀或無(wú)線電設(shè)備對(duì)飛行器進(jìn)行遙控并運(yùn)載包裹自動(dòng)到達(dá)目的地。

2無(wú)人機(jī)種類的選定與原理

根據(jù)無(wú)人機(jī)的分類,可知適合進(jìn)行貨物運(yùn)輸?shù)挠泄潭ㄒ頍o(wú)人機(jī)、四(多)旋翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人直升機(jī)。固定翼無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間長(zhǎng),攜貨量大,航速快,對(duì)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(wú)人機(jī)最突出的缺點(diǎn)使得它并不適用于這里一對(duì)起飛和降落的場(chǎng)地要求最高,而場(chǎng)地恰恰是城市中最為稀缺的。無(wú)人直升機(jī)懸停精度高,對(duì)場(chǎng)地的要求低,剛好彌補(bǔ)了固定翼無(wú)人機(jī)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(yùn)用頗為局限。而多旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活,結(jié)構(gòu)重量小,對(duì)場(chǎng)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(wú)人機(jī)多為純電驅(qū)動(dòng),燃料經(jīng)濟(jì)效益高,有助于降低運(yùn)營(yíng)成本。因此,我們?cè)谶@里選擇四旋翼無(wú)人機(jī)來(lái)進(jìn)行討論。

四旋翼無(wú)人機(jī)主要是靠四個(gè)旋翼的不同轉(zhuǎn)速組合來(lái)進(jìn)行機(jī)動(dòng)。如圖1所示,定義機(jī)體繞本體系x軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為滾轉(zhuǎn)角9,機(jī)體繞本體系y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為俯仰角θ,機(jī)體繞本體系:軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為偏航角w,三個(gè)角當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與旋轉(zhuǎn)軸符合右手定則時(shí)為正方向。

圖2所示為四旋翼無(wú)人機(jī)飛行原理圖。

由圖2(a)可知,螺旋獎(jiǎng)分為正獎(jiǎng)和反獎(jiǎng),以對(duì)角線上角速度方向相同為同一種螺旋獎(jiǎng)。因?yàn)檫@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(yùn)動(dòng)時(shí),若四個(gè)旋翼產(chǎn)生的升力大于重力,飛行器向上做加速運(yùn)動(dòng):若旋翼產(chǎn)生的升力小于重力,飛行器向下做加速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)四旋翼產(chǎn)生的升力與重力相同時(shí),飛行器懸停。

由圖2(b)可知,當(dāng)對(duì)于飛行器對(duì)角線方向的電機(jī)(即旋轉(zhuǎn)方向相同的兩個(gè)電機(jī))增加其中一個(gè)的轉(zhuǎn)速同時(shí)減小另一個(gè)相同量的轉(zhuǎn)速時(shí),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(huì)繞y軸旋轉(zhuǎn),實(shí)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(jī)。

如圖2(d)所示,當(dāng)其中一對(duì)旋翼的轉(zhuǎn)速均上升且另一對(duì)的轉(zhuǎn)速均下降時(shí),機(jī)身的水平扭矩會(huì)不平衡,使機(jī)身繞:軸旋轉(zhuǎn),以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器水平姿態(tài)的控制。

綜上,作為一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),四旋翼無(wú)人機(jī)通過(guò)控制電機(jī)1~4不同的轉(zhuǎn)速組合,可以在空間6自由度上實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)。若將以上各種情況任意組合,還可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。

3可伸縮旋翼臂設(shè)計(jì)的提出與對(duì)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(lái)越多。所以要想實(shí)現(xiàn)真正意義上的無(wú)人機(jī)快遞,就要在實(shí)現(xiàn)快遞包裝盒的標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)對(duì)包裹的高適應(yīng)性,為此,我們提出了可伸縮的旋翼機(jī)臂的設(shè)計(jì)理念。

四旋翼無(wú)人機(jī)的旋翼臂末端為升力的作用點(diǎn),由于受到力的作用,旋翼臂的末端會(huì)產(chǎn)生一定量的形變,從而對(duì)飛行安全造成一定的隱患。

可伸縮機(jī)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(gè)部分:

(1)僅有內(nèi)側(cè)固定機(jī)臂的一段,該段固定在機(jī)體上,是不可動(dòng)的一段。如圖3所示,該段長(zhǎng)為11。

(2)有外側(cè)與內(nèi)側(cè)機(jī)臂相互交錯(cuò)的一段,該段中外側(cè)機(jī)臂與內(nèi)側(cè)機(jī)臂由移動(dòng)副連接,是可動(dòng)的。如圖3所示,該段長(zhǎng)為12。

(3)僅有外側(cè)機(jī)臂的一段。該段單獨(dú)不可動(dòng),外端與螺旋獎(jiǎng)相連。該段長(zhǎng)為13。

圖3可伸縮機(jī)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(shí)的變形為:

式中,1為長(zhǎng)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(gè)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(lái)討論圓形套筒與正方形套筒形變量的大小對(duì)比。

當(dāng)質(zhì)量、橫截面積與材料完全一致且套筒為圓形時(shí),有:

根據(jù)公式,當(dāng)F、1、E相同時(shí),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(jì)

如圖6所示,電機(jī)A可以在豎直方向上轉(zhuǎn)動(dòng),與齒輪通過(guò)螺旋副(1)相連接,齒輪B將電機(jī)的豎直方向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為水平方向轉(zhuǎn)動(dòng),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(shí)現(xiàn)套筒的伸縮。

由自由度公式可知:

由此可知,該機(jī)械僅有一個(gè)驅(qū)動(dòng)即可確定其運(yùn)動(dòng)軌跡,可靠性較高。當(dāng)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)時(shí),可使圓錐齒輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)絲杠在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)產(chǎn)生水平方向上的位移帶動(dòng)移動(dòng)副水平移動(dòng),實(shí)現(xiàn)旋翼臂的伸縮。

6結(jié)語(yǔ)

近年來(lái),電商平臺(tái)的飛速發(fā)展極大地促進(jìn)了物流企業(yè)的發(fā)展,并且在各個(gè)方面向著"更快"的方向發(fā)展乃是大勢(shì)所趨,這就對(duì)快遞行業(yè)的運(yùn)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(shí)代的要求,伴隨著科技的進(jìn)步,無(wú)人機(jī)快遞物流應(yīng)運(yùn)而生。但快遞包裹種類之繁多,使得傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)很難滿足貨運(yùn)要求。針對(duì)這點(diǎn),本文創(chuàng)新性地提出了可伸縮旋翼臂設(shè)計(jì),使得未來(lái)的無(wú)人機(jī)能夠滿足快遞物流行業(yè)的需求,從而推動(dòng)快遞行業(yè)的發(fā)展,在降低成本的同時(shí)提高運(yùn)輸效率,因而具有廣闊的市場(chǎng)前景。