多旋翼载人无人机结构振动的研究

An investigation on the structural vibrations of multi-rotor passenger drones

陈科璟，孟伟，王金汉，刘昆，卢镇波*

文章发表于：https://journals./doi/10.1177/17568293231199097

https://doi.org/10.1177/17568293231199097 

研究背景及现状

随着城市交通拥堵等问题的日益严重，载人无人机技术因其天然优势成为新型交通解决方案。然而，由于其研究时间较短，其安全性能尚未得到全面研究。而且，其体积大、气动载荷和干扰大，容易引起结构方面的问题。因此，研究多旋翼无人机振动特性，了解其振动分布特点，对于设计更安全的载人无人机具有积极意义。近年来，各种型号的载人无人机不断涌现，其中多旋翼和垂直起降等载人无人机最为主流。然而，学术界发布的相关研究却非常有限，亟需进一步深入探究。
研究方法

通过一系列小型多旋翼无人机的有限元分析和振动实验总结出的规律，来改进载人无人机结构设计，并通过实验来认证其有效性（如图1所示）。

图1 多旋翼无人机实验装置：（a）小型多旋翼测量位置示意图，（b）实验环境，（c）大型载人无人机测量示意图。

结果与分析

多旋翼无人机机臂是典型的梁结构，具振动频率低，三个方向具有相同的振动模态，而刚性强的Y轴振动最小，刚性一样的径向X、Z方向，Z轴方向振动最大，并且主要发生在68Hz频率段（由图2所示），容易受到外力激励，引起共振，可能会导致结构破坏。而通过优化机臂形状，将空心圆柱型机臂改为椭圆形机臂，不仅可以使Z轴具有更大刚度，也使Z轴振动幅度降低，比如X轴振动频率比Z轴大（由图4可以所示）。

图2小型多旋翼无人机机臂振动

图3 小型多旋翼无人机机臂振动仿真和实验比较

图4 大型多旋翼载人无人机机臂振动

图5 大型多旋翼无人机机臂振动仿真和实验比较