探索無人機降落傘 傘體結構技術

探索無人機降落傘 傘體結構技術

工研院資通所 沈子傑


多旋翼無人機的炸機問題

多旋翼無人機靈活的運動特性使其在各領域的應用在近年來愈趨頻繁,而人為操作不當,或是飛行器自身故障而發生無人機墜毀(即俗稱的炸機)等造成人或財物的損傷時有所聞[1],因此也讓人開始思考該類飛行器的安全設計問題。 若排除人為操作不當因素,單就飛機自身系統出錯的故障鏈分析,最末端因素即是無人機因動力失控造成機身失衡的姿態異常, 因而無法持續滯空而墜機。 因此,多旋翼無人機需要一個能夠針對此種狀況的安全解決方案◦

然而針對該問題分析後,我們發現從動力失衡的情形與過程可區分為:姿態尚未失控且具備部分動力,與姿態完全失控兩大類。 事實上,多旋翼無人機在姿態尚未失控的狀態是可以透過飛控演算法利用殘餘動力達到機體的動態平衡而維持在空中,瑞士蘇黎士理工學院是這方面的主要研究團隊之一 [2]。 但若無人機進入姿態完全失控的狀態後,通常只能靠降落傘協助無人機以安全速度緩降, 達到同時降低無人機本體和地面之人、物彼此撞擊造成的損害。 本文將針對無人機進入姿態完全失控的狀態,採用降落傘安全緩降解決方案當中傘體結構的個別項目內容進行探討,並針對安全落速和最低開傘高度等降落傘性能指標的影響進行說明。


精彩內容

無人機降落傘安全緩降方案的傘體結構

無人機降落傘性能

多旋翼無人機降落傘  無人機安全解決方案

 

無人機降落傘安全緩降方案的傘體結構

完整的多旋翼無人機降落傘安全緩降方案包括(1)失控判別與傘體觸發信號;(2) 降落傘體結構設計;(3) 停槳輔助機制等幾個面向,但本章節將專注於降落傘傘體結構的說明,包括了傘面型式、傘體彈射系統以及傘筒樣式等, 簡要描述每個議題的影響關係。


1.無人機降落傘傘面型式

降落傘是利用物體落速產生空氣浮力而對傘面進行充氣,進而使最終傘面完全撐開後,整體落速趨於固定的技術,圖1為開傘過程的時間分析,圖中最下方最終穩定落速階段的最終落速V物理公式為:

其中 m 是傘及承載物的總質量,g 是重力加速度,C_d是傘面材質的阻力係數,ρ是空氣密度,A是開傘時的傘面投影面積。由物理公式可知傘的載重 mg 和投影面積A以及材質阻力參數Cd決定了傘的最終落速V。因此制定降落傘解決方案,係先根據需求,制定載重能力與最終落速的規格後,再決定具影響性的傘面材質((阻力係數))以及投影面積大小。傘面型式包括了與傘投影面積相關的立體形狀及與材質相關的透氣設計兩大部分。立體形狀包括圓傘、長方形和橢圓葉形,;以及常見做為戰機落地減速裝置的十字形傘,;另外還有多傘體結構及使傘面扁平化的類多傘結構[7]。而為透氣而設計的傘面頂部開孔主要用來降低側風干擾傘的飄移方向以穩定墜落軌跡;,傘緣開孔則是可以透過相鄰傘繩之鬆緊程度,來增減傘緣孔的空氣流量,進而控制飄移方向。


圖1 開傘五階段時間分析
圖1 開傘五階段時間分析

 

2.無人機降落傘彈射系統

彈射系統主要功能即是將傘體推出傘筒,讓傘面獲得伸展空間,其動能大小將影響傘體彈射速度與彈射距離,常見作法有如圖2所示幾種: (1) 彈簧彈射:利用壓縮彈簧儲存釋放時所需的彈射動能,圖2-1 是廠商Skycat [3] 所設計用於DJI Inspire 的降落傘系統,內置彈簧將傘體彈射出傘筒 [3]; (2) 炸藥爆炸:圖2-2 是利用化學藥包的爆炸產生彈射動能,將傘體的傘緣以多點張射方式彈出張開的例子[6] ; (3)高壓CO2:瞬間釋放鋼瓶內存高壓CO2 作為彈射動能,包括鋼瓶、刺穿器以及噴氣座等,相關裝置如圖2-3 所示; (4) 彈力帶:原理類似橡皮筋先纏繞後再釋放動能的做法,圖2-4的DRS-M600在簍空傘筒側面,使用彈力帶作為傘體彈射動能; (5) X型彈射座:使用彈簧扭力將底座推出的做法,常用在如圖 2-5這種固定傘體方式的作法。


圖2 各種無人機降落傘彈射技術:(1) DJI Inspire 降落傘的彈簧彈射傘體畫面; (2) 化學藥包爆產生彈射動能將傘體推出傘筒; (3) 刺穿鋼瓶釋放內部高壓CO2作為彈射動能; (4) Drone Rescue 的簍空式傘筒使用彈力帶作為傘體彈射動能; (5) DJI Phantom 3 使用繩帶包覆傘體於機 身側面X型彈射座上。
圖2 各種無人機降落傘彈射技術:(1) DJI Inspire 降落傘的彈簧彈射傘體畫面; (2) 化學藥包爆產生彈射動能將傘體推出傘筒; (3) 刺穿鋼瓶釋放內部高壓CO2作為彈射動能; (4) Drone Rescue 的簍空式傘筒使用彈力帶作為傘體彈射動能; (5) DJI Phantom 3 使用繩帶包覆傘體於機 身側面X型彈射座上。
 

3.無人機降落傘傘筒樣式

傘筒功能在於保護及固定傘體免受外力影響,其樣式通常和彈射系統搭配設計。圓柱形傘筒是常見的封閉式傘筒,能提供傘體最安全的存放空間,如圖2-1的黑橘色圓柱形傘筒與圖2-3的黑色圓柱形傘筒所示, 這類傘筒適用前述多種彈射系統,可於系統觸發時將傘體推出傘筒。相對於封閉式傘筒,開放式傘筒則具有輕量化優點,如圖2-4是廠商 Drone Rescue[4] 製造DRS-M600的簍空開放式傘筒。而另一類固定傘體方法是以繩帶將降落傘包覆於無人機機身,如 圖2-5中廠商Skycat [3]為 DJI Phantom 3所設計的降落傘系統。


無人機降落傘性能

1.降落傘性能評比方式

如何評比前述傘體結構所設計的降落傘性能優劣呢? 表1是傳統降落傘性能比較表[5],在固定落速15fps (4.5m/s) 時,以單位載重性能 (承載重量和傘體重量的比值,即 Performance Rating) 做比較,表中的Annular (Iris Ultra) 是性能最好的傘,它有高達 32:1的比值。除了傳統的單位載重性能比較外,我們認為關乎空間防護範圍的最低開傘高度,也應該納入多旋翼無人機降落傘的性能參數考量,即圖1 開傘過程時間軸 t0~t3之間落下的距離,越短代表空間防護範圍越大。從前述物理公式可知,不同重量的無人機為了獲得相同最終落速,重量越重的就需要更大的傘面以及更長的開傘時間,而開傘時間就意味著落下的距離,即所需最低開傘高度。目前 12Kg 以上商用級無人機降落傘的最低開傘高度一般是 20 米居多,我們希望進一步擴大該級降落傘防護範圍,使該高度縮短為15米,這需要在技術上使用更快速的開傘方法,這也是目前無人機降落傘業界的主要技術競爭項目之一。


表1 傳統降落傘性能比較表
表1 傳統降落傘性能比較表

 

2.加速開傘的方法

工研院對此問題的研究是從開傘過程使用的技術,再進一步分析各階段影響開傘高度的因素,得知傘體離開傘桶階段,影響時間的主要因素就是彈射動能,接著傘繩拉直階段時間則主要受到傘繩長度、彈射動能和落速差的影響,最後傘面充氣階段則是與開傘時落速、傘面容量以及傘面投影面積有關。根據前項分析結果並歸納現有多種加速開傘的可能方法有以下幾類:

● 增強彈射動能:可以利用加大彈簧伸縮彈力、提高化學藥包爆炸威力、或是加快電磁彈射速度等做法,來縮短傘體離開傘桶至傘繩拉直的時間。

● 縮短傘繩拉直時間:運用增加傘和承載物落速差以加快傘繩拉直的做法,主要是透過選用傘布材質的空氣阻力及摺傘方式來達成。如圖3-1拿常見摺傘方式 (Z字型摺傘)與皺褶式摺傘進行比較,兩種摺傘方式最大差異在每個折線的反向拉平力矩大小,後者增加折線數量使傘面間隙增加,但每個折線的反向拉平力矩變小,傘體脫離傘筒後更快自然伸展開來以增加傘體體積與風阻 (空氣浮力) 面積,擴大與無人機體的落速差。而使用多個小傘取代單一大傘的結構,則是利用同時拉直有較短傘繩長的多個小傘來達到縮短傘繩拉直的時間,這種方法需要克服個別傘可能彼此纏繞,導致開傘效果不佳的空氣力學問題。也可如圖3-2則是在維持傘的原有浮力結構前提下,縮短傘繩 (拉直時間) 的方式。

● 縮短傘面充氣時間:如圖3-3利用傘投影面積不變達到最終落速不變前提下,將傘面扁平化,以降低傘面容量的類多傘結構方法 [7],可以縮短充飽所需的時間。還有使用如圖2-2的傘緣多點張射方法或是強化傘緣剛性以期快速增加充氣面積,達到縮短充氣時間的主動張傘做法。


圖3 各種加速開傘的方法與實例: (1) Z 字型摺傘與皺褶式摺傘的摺傘程序差異比較;(2) 縮短傘繩的可能作法; (3) 類多傘結構之無人機降落傘。
圖3 各種加速開傘的方法與實例: (1) Z 字型摺傘與皺褶式摺傘的摺傘程序差異比較;(2) 縮短傘繩的可能作法; (3) 類多傘結構之無人機降落傘。

 

多旋翼無人機降落傘 無人機安全解決方案

降落傘是無人機姿態失控後的最後一道安全防線,必須做到確保無人機完好以及對地面人及物損害降至最低的目標。透過無人機計畫的安全飛控項目,工研院從降落傘的基本原理開始研究,並理解個別組成項目的用途與影響,再綜合參考目前常見的做法優缺點,然後進行簡單模擬與嘗試各種做法對達到設計規格的可行性實驗,了解無人機降落傘系統設計中的傘面型式、傘筒以及彈射器三大部分彼此的關係。我們認為最低開傘高度以及最終落速是降落傘設計最主要的關鍵性能參數,最低開傘高度是考驗開傘速度快慢的設計問題,開傘所需高度越低則空間保護範圍越大,但技術難度也越高,針對影響開傘速度的因素以及歸納現有各種加速開傘的可能做法,工研院開發相關技術,包括選用類多傘結構的扁平方形傘以縮小傘面容量、增強彈射動能以縮短拉直傘繩時間、採用皺褶式摺傘以達快速充氣目的等多種加速開傘技術,使12Kg級商用多旋翼無人機的降落傘最低開傘高度能領先業界從20米縮短為15米。而影響最終落速的因素,除了承載重量外,就是傘體的尺寸與材質。另外,降落傘系統的另一種性能評比方式是以單位降落傘重量的承載重量來決定優劣,相同承載重量的傘體越輕,對於無人機的負擔就越少,所以降低降落傘系統的重量也是設計時必須考慮的重要因素。工研院無人機計畫針對無人機失控而採取的降落傘設計可降低無人機的損傷,同時也增加對地面人員及物件的安全防護。


參考文獻

[1] 無人機墜落蘋果總部 失事前零預兆:https://dronesplayer.com/uav-news/%e7%84%a1%e4%ba%ba%e6%a9%9f%e5%a2%9c%e8%90%bd%e8%98%8b%e6%9e%9c%e7%b8%bd%e9%83%a8%e3%80%80%e5%a4%b1%e4%ba%8b%e5%89%8d%e9%9b%b6%e9%a0%90%e5%85%86/
[2] 蘇黎士理工的動力故障穩控演算法: M. W. Mueller and R. D’Andrea, “Stability and control of aquadrocopter despite the complete loss of one, two, or three propellers,” in IEEE Int. Conf. on Robot. and Autom., 2014,pp. 45–52.
[3] 無人機降落傘製造廠商Skycat. Pro: https://www.skycat.pro/
[4] 奧地利Drone Rescue 公司: http://www.dronerescue.at/
[5] 傳統降落傘性能比較表: https://fruitychutes.com/uav_rpv_drone_recovery_parachutes/uas-parachute-recovery-tutorial.htm
[6] 藥包爆炸產生彈射動能: https://www.zdnet.com/article/pyrotechnic-parachute-a-proposed-solution-for-falling-commercial-drones/
[7] 類多傘結構: https://www.limitlessiq.com/news/post/view/id/7554/


文章轉載自工業技術研究院電腦與通訊月刊