EXPERIMENTAL STUDY ON THE IMPACT TENSION OF A TETHERED UNMANNED AERIAL VEHICLE SYSTEM
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摘要: 系留无人机中缆绳的松弛-张紧变化可能会产生冲击张力, 导致缆绳断裂和无人机失控坠毁, 对于该冲击张力现象亟待实验研究. 为此, 在风洞中开展了系留无人机系统冲击张力实验, 通过分析不同结构和环境参数下系留无人机系统动力学响应数据, 揭示冲击张力的变化规律. 依据光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)传感器可受拉受压的测试特点, 提出判断缆绳松弛-张紧的准则. 通过分析缆绳松弛-张紧随位置的分布图发现, 随着缆绳长度减小、直径减小或风速增大, 发生松弛-张紧的位置会减少或消失. 测试了缆绳长度、直径和环境风速对冲击张力的影响, 结果发现, 缆绳长度越长、缆绳直径越大、环境风速越大, 缆绳张力也越大. 同时发现, 张力在缆绳与无人机的连接点达到最大, 该张力作用会影响无人机的稳定运动, 不利于系统的正常工作及安全飞行. 在实际需求前提下, 在结构设计时可选用长度较小或直径较小或抗拉强度较大的缆绳, 同时对缆绳和无人机的连接点加强保护, 从而确保系统的稳定性和安全性.Abstract: In tethered unmanned aerial vehicles (UAVs), variations in cable slack-taut can generate impact tension, potentially causing cable breakage and uncontrolled UAV crashes, necessitating urgent experimental investigation into this impact tension phenomenon. To this end, this study carries out impact tension experiments for tethered UAV systems in a wind tunnel and analyzes dynamic response data under various structural and environmental parameters to reveal the variation patterns of system's impact tension. Based on the measurement properties of fiber Bragg grating (FBG) sensor, which can be stretched and compressed, criterions are proposed for determining cable slack-taut. Through analyzing the slack-taut distribution with position, it is observed that the slack-taut reduces or disappears with the cable length or diameter decreases, or with the wind speed increases. Experiments on the effects of cable length, diameter, and environmental wind speed on impact tension showed that greater values of each parameter correspond to increase cable tension. Moreover, it is discovered that the tension at the cable-UAV connection point is significant, which affects the UAV's stable motion, hindering normal operation and safe flight. On the premise of practical application requirements, the aforementioned research results suggest selecting a cable with lower length or diameter or higher tensile strength, it is also recommended to prioritize protecting the cable-UAV connection point in structural design, to guarantee stable and safe operation of the tethered UAV system.
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引 言
系留无人机系统在悬停时, 缆绳构形呈弧形, 系统处于松弛状态. 当环境风场作用于系统, 无人机受风载荷影响会快速上升, 同时, 缆绳受无人机上升运动和风载荷的影响, 被拉直转变为张紧状态, 在此松弛-张紧转变过程中[1-5], 缆绳张力会显著增大[6-11], 可能导致缆绳破断及无人机失控坠毁. 因此, 对系留无人机系统的冲击张力现象开展实验研究是十分必要的.
现有对冲击张力现象的实验研究, 大多以系泊系统为分析对象. Niedzwecki等[12]对垂直悬挂重物的多组件系泊缆绳的动态响应进行了实验研究, 结果发现, 随着激振幅值的增加, 系泊缆绳产生了冲击张力. Vassalos等[13]通过实验研究发现系泊缆绳在松弛-张紧状态下会产生冲击张力, 不利于系统的稳定. Zhang等[14-17]通过在系泊缆绳顶部施加位移激励, 实验模拟了冲击张力现象, 并且研究了缆绳长度、刚度、材料特性、激振幅值和频率等因素对冲击张力变化的影响, 结果表明, 松弛-张紧时产生的冲击张力是松弛时的5倍, 容易引起缆绳断裂. 在工程应用中, 系留无人机系统也会发生冲击张力现象, 会对整个系统的安全飞行造成威胁, 对于该冲击张力现象亟待实验研究.
除系泊系统外, 还有学者实验研究了其他领域的冲击张力现象. Jordan等[18]利用控制器使得脐带式潜水器系统始终处于稳定的张紧状态, 而不会产生冲击张力. Lu等[19]和Hong等[20]研究了水下浮动隧道的缆绳的冲击张力现象, 提出了一种防止缆绳产生冲击张力的结构设计方法. Yang等[21]通过控制电缆的冲击张力来引导机器人团队穿越狭窄空间. Xiao等[22] 基于缆绳的冲击张力现象, 设计了帮助盲人安全前行的引导装置. 系留无人机的高度较大, 开展冲击张力实验需要大型的风洞场地和完备的测试设备, 且实验具有一定的危险性, 目前关于系留无人机系统冲击张力现象的实验研究相对匮乏.
关于冲击张力现象的理论研究较为广泛, 如运用双线性弦模型[23-24]、无质量弹簧模型[25]、牛顿定律[26]、tanh方法[27]、载荷增量技术和罚函数法[28]、有限元方法[29-31]等计算分析冲击张力现象. 大部分研究集中于理论计算, 还缺乏直观真实的认识映证和说服力, 也不利于系留无人机的广泛应用.
本工作在大型风洞实验室实施系留无人机系统冲击张力实验, 通过分析系统的动力学响应数据, 揭示冲击张力变化规律. 首先准备实验测试系统, 包括风场环境的模拟, 拉力传感器和FBG (fiber Bragg grating)传感器的安装布置. 然后依据结构和环境参数设计实验工况, 研究缆绳长度、缆绳直径和环境风速等参数对冲击张力的影响. 最后从动力学角度, 着重对危险工况下的缆绳冲击张力对无人机运动的影响进行了分析.
1. 实验测试系统
1.1 实验系统的搭建
系留无人机系统冲击张力实验是在大型风洞实验室进行的, 实验示意和场景图如图1所示, 风洞实验室两侧分别为出风口和进风口, 风口长8 m, 宽6 m, 可以在中间实验区域产生稳定的均匀风场.
1.2 测试系统的布置
为测试系留无人机的缆绳张力, 实验中采用的采集信号的设备和传感器的布置如图2所示. 采用由蚌埠大洋传感系统工程有限公司生产的型号为DYMH-103的拉力传感器测试缆绳上端和下端的张力, 单个拉力传感器重0.1 kg, 如图3(a)所示. 缆绳的上端通过拉力传感器连接至无人机底部表面的几何中心, 该点与质心竖直对齐. 缆绳的下端通过拉力传感器连接到地面, 记作s = l m. 采用江苏东华测试技术股份有限公司生产的型号为DH5922动态测试信号采集仪对拉力传感器测得的信号进行采集, 如图4(a)所示.
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图 2 采集信号的设备和传感器的布置示意图Figure 2. Schematic diagram of the arrangement of equipment and sensors for collecting signalsFBG传感器用来测试缆绳中间的张力. 由于光纤光栅是细长形的圆柱体, 直接将其黏贴在缆绳表面的难度较大, 因此, 将光纤光栅黏贴在轻质、抗弯刚度大的基体上, 如图3(b)所示, 基体两端与缆绳铰接, 如图3(c)所示. 两个铰接点之间的直线距离略小于弯曲缆绳的长度, 以确保在整个受力过程中基体的最大伸长量小于缆绳弯曲的预留量为原则, 即只有基体受力, 弯曲缆绳不受力. 基体的安装对缆绳长度的影响可以忽略不计. 所有安装的基体的总质量为$9.52 \times {10^{ - 3}}$ kg, 型号为10 AWG缆绳的质量为1.108 kg, 二者质量比为$8.592 \times {10^{ - 3}}$, 基体的质量可以忽略. 冲击张力主要由无人机的运动产生, 基体安装的影响可忽略不计.
实验设计中, 基体采用的是亚克力材料, 其拉伸强度可达到50 ~ 77 MPa. 基体在缆绳张力的作用下产生应变, 根据基体的应变和张力关系可计算得到缆绳的张力. 将缆绳上端拉力传感器的安装位置记作s = 0 m, 向下依次以0.7 m的间距均匀布置FBG传感器, 编号为FBG1, FBG2, …, FBG10, 其中, 光纤光栅的波长参数如表1所示. 采用北京基盛科技有限公司生产的GS-YB-FBG-3光纤光栅波长解调仪对FBG传感器测得的信号进行采集, 如图4(b)所示.
表 1 光纤光栅波长参数Table 1. Fiber grating wavelength parametersFBG serial number Wavelength/nm FBG serial number Wavelength/nm FBG 1 1561 FBG 6 1545 FBG 2 1556 FBG 7 1543 FBG 3 1553 FBG 8 1553 FBG 4 1537 FBG 9 1537 FBG 5 1547 FBG 10 1560 采用由冠通云天科技有限公司生产的DL2型无人机作为飞行试验对象, 如图5所示, 抗风等级为4级, 对应风速为5.5 ~ 7.9 m/s, 机体重量为4.9 kg, 展开尺寸为1 m, 高度为0.5 m. 选取的复合缆绳参数如表2所示, 表中, “AWG”是美国线规“American wire gauge”的缩写. AWG前面的数值为线号, 通过线号来表示直径, 线号越小, 电缆的直径越大, 能通过的电流也越多. 考虑到风洞和无人机的尺寸, 缆绳的最大长度设置为14 m, 以确保无人机在风口范围内. 风口下沿离地高度为6 m, 因此风速会随着缆绳的高度而产生变化, 能够模拟自然环境中产生的风速梯度.
表 2 复合缆绳参数Table 2. Parameters of composite cablesModel number Diameter/
mmLinear density/
(g·m−1)Rigidity/
kN10 AWG 5.5 79.12 13.85 12 AWG 4.5 48.42 10.02 14 AWG 3.5 27.63 8.27 2. 结构和环境参数对冲击张力的影响
依据不同结构和环境参数, 设置7个实验工况, 如表3所示. 研究缆绳长度、缆绳直径和风速等参数对系统冲击张力的影响, 总结冲击张力在不同结构和环境参数下的变化规律.
表 3 工况1 ~ 7的参数设置Table 3. Parameters setting of cases 1 ~ 7Case Model number Length/m Diameter/
mmWind speed/
(m·s−1)1 10 AWG 11.2 5.5 4 2 10 AWG 12.6 5.5 4 3 10 AWG 14.0 5.5 4 4 14 AWG 14.0 3.5 4 5 12 AWG 14.0 4.5 4 6 12 AWG 14.0 4.5 6 7 12 AWG 14.0 4.5 8 FBG传感器既能受压也能受拉, 缆绳弯曲时FBG传感器受压, 此时测得的张力小于0; 缆绳拉直时FBG传感器受拉, 此时测得的张力大于0. 基于FBG传感器的这种测试特点, 本文提出3个准则来判断缆绳的状态.
(1) 当FBG传感器测试张力值始终大于0时, 表明该位置缆绳始终处于张紧状态;
(2) 当FBG传感器测试张力值始终小于0时, 表明该位置缆绳始终处于松弛状态;
(3) 当FBG传感器测试张力值在0上下波动时, 表明该位置缆绳处于松弛-张紧状态.
2.1 缆绳长度对冲击张力的影响
通过工况1, 2和3分析缆绳长度对冲击张力的影响. 实验测得的缆绳各个位置的张力数据如图6所示. 在图6(a)中, s = 0 m的张力大于0, 说明缆绳在s = 0 m处于张紧状态; s = 0.7 m的张力在0附近上下波动, 说明缆绳在s = 0.7 m处于松弛-张紧状态. 这说明相同缆绳长度下, 不同位置可能处于不同的状态. 另外观察发现, 图6(b)中 s = 4.9 m的张力小于0, 而图6(c)中s = 4.9 m的张力在0附近上下波动, 这说明不同缆绳长度下, 同一位置可能处于不同的状态.
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图 6 不同缆绳长度下各个位置的张力时间历程Figure 6. The time history of tension at each position of the cable under different cable lengths为了直观展现缆绳各个位置的松弛-张紧情况, 依据缆绳松弛-张紧的判断准则, 得到缆绳松弛-张紧随位置的分布图, 如条形图7(a)所示, 其中, 缆绳张紧、松弛-张紧和松弛状态分别用蓝色、黄色和灰色条形表示. 当缆绳长度为11.2 m时, 发生松弛-张紧的位置有1个: s = 0.7 m; 当缆绳长度为12.6 m时, 发生松弛-张紧的位置有2个: s = 0.7, 3.5 m; 当缆绳长度为14.0 m时, 发生松弛-张紧的位置有4个: s = 0.7, 3.5, 4.9和6.3 m. 这表明缆绳长度越大, 发生松弛-张紧的位置越多, 与理论研究的结果一致[6].
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图 7 不同缆绳长度下松弛-张紧分布和张力最大值变化Figure 7. Slack-taut distribution and maximum tension variation under different cable lengths为确定缆绳长度对冲击张力的大小和位置的影响, 给出缆绳长度为11.2, 12.6和14.0 m时缆绳张力最大值随位置的变化曲线, 如图7(b)所示. 从图中发现, 不同缆绳长度下产生最大张力的位置都在s = 0 m, 即缆绳与无人机的连接点, 并且缆绳张力的最大值随着缆绳长度的增大而增大, 实验揭示的规律和理论研究结果[32]一致.
在工程应用中, 冲击张力可能会使缆绳发生破断, 造成坠机事故. 选取最危险的工况−缆绳长度为14.0 m, 从飞行日志导出无人机的位移和速度, 给出无人机运动相图和缆绳张力曲线, 同时, 运用傅里叶变换得到无人机高度和缆绳张力的频谱图, 如图8所示. 在无人机的高度和速度时间历程图8(a)和图8(b)中, 当192 ~ 196 s时, 无人机高度在10.2 ~ 11.1 m范围内变化, 速度在−0.9 ~ 0 m/s的范围内变化, 系统基本处于悬停状态; 当196 s时风洞开启, 无人机开始受到风载荷的作用, 在196.0 ~ 201.5 s内, 无人机的高度从10.2 m上升到最大高度13.9 m, 即对应图中的a点, 无人机的速度在−0.9 ~ 3.8 m/s的范围内变化. 在无人机运动相图8(c)中, 相轨迹曲线呈现为不规则的极限环.
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图 8 缆绳长度为14.0 m时系留无人机系统运动Figure 8. Tethered UAV motion when the cable length is 14.0 m在缆绳上端点张力时间历程图8(d)中, 缆绳受到风载荷和无人机上升运动的影响, 在200.2 ~ 201.5 s内, 缆绳被迅速拉直, 张力从10 N增大为最大值68.377 N. 即在a点, 缆绳与无人机的连接点产生了冲击张力, 此时无人机上升至最大高度, 加速度达到最大, 在无人机速度时间历程图8(b)中的速度接近于0. 然后, 在201.5 ~ 209.0 s内, 无人机受缆绳向下冲击张力的作用, 迫使高度从13.9 m下降到了11.5 m, 即对应图中的b点. 在无人机的高度频谱图8(e)和缆绳张力频谱图8(f)中, 二者都在频率为0.05 Hz时幅值达到最大, 这表明缆绳张力和无人机发生耦合[33].
2.2 缆绳直径对冲击张力的影响
通过工况3, 4和5研究缆绳直径对冲击张力的影响. 实验测得的缆绳各个位置的张力数据如图9所示. 从图中发现, 相同缆绳直径下, 不同位置处于不同的状态, 例如, 在图9(a)中, s = 0.7 m的张力大于0, 处于张紧状态; 而s = 7.0 m的张力小于0, 处于松弛状态. 不同缆绳直径下, 同一位置处于不同的状态, 例如, 在图9(b)中, s = 0.7 m的张力在0附近上下波动, 处于松弛-张紧状态.
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图 9 不同缆绳直径下各个位置的张力时间历程Figure 9. The time history of tension at each position under different cable diameters依据判断准则, 绘制缆绳松弛-张紧随位置的分布图, 如条形图10(a)所示, 缆绳张紧、松弛-张紧和松弛状态分别用蓝色、黄色和灰色条形表示. 当缆绳直径为3.5 mm时, 缆绳没有位置发生松弛-张紧; 当缆绳直径为4.5 mm时, 发生松弛-张紧的位置有1个: s = 0.7 m; 当缆绳直径为5.5 mm时, 发生松弛-张紧的位置有4个: s = 0.7, 3.5, 4.9和6.3 m. 这表明缆绳直径越大, 发生松弛-张紧的位置越多, 与理论研究的结果一致[6].
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图 10 不同缆绳直径下松弛-张紧分布和张力最大值变化Figure 10. Slack-taut distribution and maximum tension variation under different cable diameters为确定缆绳直径对冲击张力的大小和位置的影响, 给出缆绳直径为3.5, 4.5和5.5 mm时缆绳张力最大值随位置的变化曲线, 如图10(b)所示. 从图中发现, 当缆绳直径为3.5和5.5 mm时, 产生最大张力的位置都在s = 0 m. 当缆绳直径为4.5 mm时, 产生最大张力的位置在s = 5.6 m, 即距离缆绳和无人机连接点的2/5处, 其次是在s = 0 m. 另外发现, 缆绳张力的最大值随着缆绳直径的增大而增大, 该变化规律和理论研究结果[32]一致. 危险工况−缆绳直径为5.5 mm时的结果同2.1节工况3.
2.3 环境风速对冲击张力的影响
通过工况5, 6和7研究环境风速对冲击张力的影响. 实验测得的缆绳各个位置的张力数据如图11所示. 从图中发现, 相同风速下, 不同位置处于不同的状态, 例如, 在图11(a)中, s = 3.5 m的张力大于0, 处于张紧状态; 而s = 7.0 m的张力小于0, 处于松弛状态. 不同风速下, 同一位置处于不同的状态, 例如, 在图11(b)中, s = 7.0 m的张力大于0, 处于张紧状态.
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图 11 不同风速下缆绳各个位置的张力时间历程Figure 11. The time history of tension at each position of the cable under different wind speed依据判断准则, 绘制缆绳松弛-张紧随位置的分布图, 如条形图12(a)所示. 当风速为4, 6 m/s时, 发生松弛-张紧的位置都有1个, 分别为s = 0.7, 3.5 m; 当风速为8 m/s时, 没有位置发生松弛-张紧, 所有位置都是张紧的. 这表明随着风速增大, 缆绳的松弛-张紧现象会消失, 整条缆绳会全部处于张紧状态.
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图 12 不同风速下松弛-张紧分布和张力最大值变化Figure 12. Slack-taut distribution and maximum tension variation under different wind speed为确定环境风速对冲击张力的大小和位置的影响, 给出环境风速为4, 6和8 m/s时缆绳张力最大值随位置的变化曲线, 如图12(b)所示. 从图中发现, 不同环境风速下产生最大张力的位置都在s = 0 m, 并且缆绳张力的最大值随着环境风速的增大而增大, 该变化规律和理论结果[32]一致.
在工程应用中, 张力过大可能会使缆绳发生破断. 选取最危险的情况−环境风速为8 m/s, 从飞行日志导出无人机的位移和速度, 给出无人机运动相图和缆绳张力曲线, 同时, 运用傅里叶变换得到无人机高度和缆绳张力的频谱图, 如图13所示. 在无人机的高度和速度时间历程图13(a)和图13(b)中, 在289 ~ 309 s内, 无人机受到风载荷和缆绳张力的作用, 高度在13.524 ~ 13.996 m范围内变化, 速度在−0.387 ~ 0.216 m/s范围内变化, 高度和速度时间历程曲线产生了多个波峰和波谷. 在无人机运动相图13(c)中, 相轨迹曲线复杂交错, 这不利于系统的正常工作及安全飞行.
在缆绳上端点张力时间历程图13(d)中, 缆绳张力在8.575 ~ 30.168 N的范围内呈现为波动状态. 在无人机的高度频谱图13(e)和缆绳张力频谱图13(f)中, 二者的频谱呈现出连续分布, 且存在多个相同的频率成分, 包括0.057, 0.177, 0.386和0.559 Hz等, 说明无人机运动是受缆绳张力影响的, 但是各个频率影响的结果不同. 其中, 缆绳张力的高频成分0.559 Hz对无人机运动的影响最大, 使得无人机产生以高频成分0.559 Hz为主的振动.
3. 结 论
本文对系留无人机系统冲击张力现象开展了实验研究, 研究结果能为制定有效的规则以避免事故和促进无人机的拓展应用提供技术支持和可靠依据. 利用FBG传感器既可受拉又可受压的特点, 提出了3条判断缆绳松弛-张紧的准则. 根据不同缆绳长度、直径和环境风速参数, 设计了7个实验工况. 依据提出的判断准则, 给出了缆绳松弛-张紧随位置的分布图, 总结不同结构和环境参数下缆绳发生松弛-张紧的分布规律: 随着缆绳长度减小、直径减小和风速增大, 发生松弛-张紧的位置会减少或消失. 通过对比分析不同工况下的缆绳张力发现: 缆绳长度越长、缆绳直径越大和环境风速越大, 缆绳张力也越大, 实验揭示的张力变化规律和理论结果[32]一致. 并且发现, 产生最大张力的位置大都位于与无人机的连接点, 连接点的张力作用影响无人机的稳定运动, 不利于系统的正常工作及安全飞行.
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图 2 采集信号的设备和传感器的布置示意图
Figure 2. Schematic diagram of the arrangement of equipment and sensors for collecting signals
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图 6 不同缆绳长度下各个位置的张力时间历程
Figure 6. The time history of tension at each position of the cable under different cable lengths
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图 7 不同缆绳长度下松弛-张紧分布和张力最大值变化
Figure 7. Slack-taut distribution and maximum tension variation under different cable lengths
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图 8 缆绳长度为14.0 m时系留无人机系统运动
Figure 8. Tethered UAV motion when the cable length is 14.0 m
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图 9 不同缆绳直径下各个位置的张力时间历程
Figure 9. The time history of tension at each position under different cable diameters
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图 10 不同缆绳直径下松弛-张紧分布和张力最大值变化
Figure 10. Slack-taut distribution and maximum tension variation under different cable diameters
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图 11 不同风速下缆绳各个位置的张力时间历程
Figure 11. The time history of tension at each position of the cable under different wind speed
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图 12 不同风速下松弛-张紧分布和张力最大值变化
Figure 12. Slack-taut distribution and maximum tension variation under different wind speed
表 1 光纤光栅波长参数
Table 1 Fiber grating wavelength parameters
FBG serial number Wavelength/nm FBG serial number Wavelength/nm FBG 1 1561 FBG 6 1545 FBG 2 1556 FBG 7 1543 FBG 3 1553 FBG 8 1553 FBG 4 1537 FBG 9 1537 FBG 5 1547 FBG 10 1560 
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表 2 复合缆绳参数
Table 2 Parameters of composite cables
Model number Diameter/
mmLinear density/
(g·m−1)Rigidity/
kN10 AWG 5.5 79.12 13.85 12 AWG 4.5 48.42 10.02 14 AWG 3.5 27.63 8.27
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表 3 工况1 ~ 7的参数设置
Table 3 Parameters setting of cases 1 ~ 7
Case Model number Length/m Diameter/
mmWind speed/
(m·s−1)1 10 AWG 11.2 5.5 4 2 10 AWG 12.6 5.5 4 3 10 AWG 14.0 5.5 4 4 14 AWG 14.0 3.5 4 5 12 AWG 14.0 4.5 4 6 12 AWG 14.0 4.5 6 7 12 AWG 14.0 4.5 8
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