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震区先导抢险飞行越障车

范文

刘佳田

摘要：先导指的是先行导引，先导抢险是前期抢险人员进入震区进行勘查（探测幸存人员），运输（运输紧急物资）、抢修（通讯、电力），为大部队进入创造条件。当地震发生时，抢险人员因受到震区的塌方、滑坡等复杂环境影响，无法在第一时间进入震区进行抢险工作。针对该问题，本项目拟通过将载人飞行技术与特种车辆地面行驶技术相结合，发明一种具有陆空越障功能的飞行车，完成震区先导抢险工作。

基于车辆工程技术、无线电技术、飞行控制技术、3D打印术、计算机工程技术和现代电路理论技术，通过硬件制作及软件整合，设计制作了包括飞行单元、行驶越障单元、模式切换单元、实时图像传输单元、电传飞控单元的震区先导抢险飞行越障车。通过结合地面行驶越障和飞行越障的优点，提高了飞行越障车对各种复杂环境的适用性，从而最大限度的保证了震区先导抢险工作的顺利完成。

本飞行越障车突破了传统救援车无法适应复杂环境的制约，简化了模式切换结构，克服了飞行器自重较大的缺点;陆空两种工作模式的自由切换，有效解决了震区先导抢险工作中勘查、运输、抢修、越障等难题;较好的便携性可实现快速的跨区域调配和大量协同应用，增强了救援工作的机动性，提高了救援效率。

关键词：先导抢险;飞行越障;地面行驶越障;模式切换变形功能

中图分类号：G4? 文献标识码：A? 文章编号：（2021）-07-408

一、问题提出——震区抢险救灾，环境复杂，情况紧急

地震是各个国家经常遭受到的重大自然灾害之一，给我们的国家和人民的生命财产造成了极大的损失。一次偶然的机会，我浏览到了关于抗震救灾的报道，发现地震后震区塌方、滑坡等复杂的地形环境极大地妨碍了抢险救灾工作的开展。为了能使抢险救援工作快速开展都需要调集大量救灾人员及物资克服重重地形困难进入震区。

各类车辆及飞机等交通工具，不仅能给我们的日常生活带来便利，帮助我们跨越人与人之间的空间距离，而且特殊类型的交通工具的应用能够帮助我们解决很多特殊情况下的难题。本项目通过将两种交通工具进行有效结合，提出了一种能够搭载抢险人员跨越重重障碍，进入震区进行先导抢险工作的作业工具。

二、原因分析

通过查阅相关报道及资料，先导抢险困难的原因大致有以下四点：

1.地面环境复杂：地震产生的塌方、滑坡、等灾害使得地面交通环境恶劣，障碍很多，普通交通工具无法跨越。

2.桥梁断裂或损毁：地震使得很多桥梁发生断裂或被毁的情况，河流障碍无法快速跨越。

3.空中运输困难：地震使得灾区很难寻找到合适的直升机和运输机停靠地点，空中运输抢险人员危险很大。

4.空投物资受天气影响：震区天气条件多变，向震区内进行空投救援物资难度较大。

基于以上原因分析，本文主要工作包括以下两点：

（1）将载人飞行器技术应用到震区先导抢险越障工作上;

（2）通过对结构进行设计，将飞行器技术与车辆工程及结构设计技术相结合，组合制造出具有陆空两种不同模式越障功能的车辆。

为了使震区先导抢险救援工作能及时有效的开展，必须要借助专项作业工具。但因为受到震区复杂地形环境的影响，单一功能的陆路车辆和运输飞机都存在很大的局限性。如果能够将飞行和道路越障运输车辆进行组合改装，对功能加以添加和改进，就能很好的解决这些存在的问题，为震区的抢险救灾争取到更多的时间。

三、国内外研究现状

目前，国内外对于自主驾驶载人飞行器及越障车各有研究。首先，国外对于载人飞行器的研究较多，相关企业如空客、奥迪等都曾推出过多种型号自主载人飛行器，其中比较典型的有：德国Volocopter公司的Volocopter 2x、ASTRO公司的AA360及COAR公司的Kitty Hawk Cora飞行器。Volocopter 2x是世界上第一台二座电动垂直起降无人驾驶飞机， 2018年1月进行首次载人飞行。

中国在自主载人飞行器的研究上，走在世界的前列。亿航智能推出世界第一款真正意义上的载人无人机，亿航184采用多套独立飞行控制系统来实现自动导航，飞行途中会实时采集分析来自各种传感器的数据，重新规划路径，从而保证将乘客以最快速、最安全的路径送达目的地。可在1小时内完成充电，螺旋桨收起后，可停在汽车停车位上。

国内对于履带型车辆也有一定的研究项目，如河南农业大学对于高地隙履带作业车的设计研究，重庆交通大学的基于拉亚遥控的小型履带车结构设计，以及其他各类型越障车的研究。

通过查阅相关网站文献资料，发现载人飞行技术与车辆技术相结合的产品已有先例，通过对比分析，查到与本项目拟采用技术方案和实现目标具有一定相关性的专利和技术总结如下：

（1）相关专利和技术方案的实现方式较为单一。检索飞行越障车并未检索到相关专利，检索载人飞行器得到的方案挑选其中与本作品相似的，其实现原理基本相同，主要利用的是以载人飞行技术为主的技术，加上普通的车辆特征。

（2）相关专利和技术方案的实现功能较为单一。大多注重的是飞行功能以及使用人员的驾驶舒适感，功能多为单一的小功能。

（3）针对于震区的特殊地形环境，并没有办法完成有效越障，长距离多人员运输等特殊需要的功能。

现有技术方案普遍存在实现功能和方式单一，难于同时满足震区路面长距离特殊地形越障，飞行越障，人员运输等多个问题解决的需求。同时，相关技术方案，大多仅关注飞行功能的实现，飞行速度较慢且搭载人员数量极小，仅为1～2人。越障车及履带车方面，大多并不具备空中飞行能力，个别陆空两用型车辆又无法满足震区先导抢险的需求。基于震区的现实情况来看，更需要的是长距离路面迅速运输越障及短距离飞行越障，并能进行震区先导抢险工作的专项车辆。

由此看来，目前国内外关于飞行器及越障车辆的研究有很多种，但针对震区环境的专项越障车的研究相对较为欠缺。

四、产品需求调查

我国西南部位于世界两大地震带——环太平洋地震带和欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海底板块的挤压，地震断裂带十分活跃。如1976年7.8级唐山地震，2008年8.0级汶川地震，2010年7.1级玉树地震，2014年6.5级鲁甸地震。

每次遇到类似地震这样的重大自然灾害，国家会在第一时间进行抢险救灾工作部署，为做好先导抢险工作，会投入大量的人力。以玉树地震为例，先导抢险期间共投入部队兵力15843人，民兵预备役2773人，全国抢险救援队伍12603人。之所以需要投入如此之多的人力主要是因为抢险救灾的难度大，救援队在震区道路阻塞、没有车辆保障的情况下需每天步行20多公里进行先导抢险，才能紧紧抓住72小时黄金救援时间。而震中高山峡谷、岩层破碎、坡陡谷深，又适逢雨季，道路损毁严重，给交通、通信、电力等生命线抢通保通工作带来了巨大困难，也给救灾队伍迅速进入灾区搜救人员、伤员运送、救灾物资运送带来了巨大危险。而震区先导抢险飞行越障车的研究使用正可以解决以上难题，由此看来震区先导抢险飞行越障车的应用前景及市场需求还是比较大的，尤其是对于国家抢险救援工作来说是极其需要的一种工具。

五、震区先导抢险飞行越障车设计

1.功能设计

通过对市场需求调研和相关技术知识的研究，本项目提出了一种载人飞行器与路面车辆组合越障的解决方案。结合原因分析，对拟研发的智越障车提出了如下3个功能目标：

（1）路面行駛越障：针对震区复杂的地面障碍设计，利用坦克履带式设计，同时设计加有缓震结构，搭载较大的负重的同时，能够很好地完成对塌方、滑坡等地形障碍的快速越障。

（2）模式切换变形结构：为了适应较为狭小的地形障碍设计，能够在极短的时间内使越障车在路面行驶越障模式和飞行越障模式之间进行自由变换，极大的缩小了飞行越障车的体积大小，适应狭小空间，也使得两种模式之间结合更加完美，联系紧密又互不影响，同时也大大节约了车辆的能源消耗。

（3）飞行越障：针对路面行驶模式无法跨越的塌方、河流等地形。多旋翼直升降设计，飞行越障平稳，具有一定的载重能力，对于起降地形要求较小，契合震区复杂的地形特点。

2.飞行越障车主要控制部分设计

整个飞行越障车主控单元共10通道，为做到三种不同功能之间独立互不影响，10通道设计分配如下

（1）路面行驶控制（2个通道）：路面行驶越障主要由坦克履带完成，包括前进、后退、左转、右转四个方面，参考正常坦克的行进转向模式，只需两个通道分别控制左右两侧履带电机的运转速度即可做到以上四个方面，速度相同时可完成前进后退，速度分别不同时可完成左转右转。

（2）起降支撑杆收放（1个通道）：起降支撑杆的收放是变形前的必要准备，前后两端的起降支撑杆是由车身底部的可调角度数字舵机完成，舵机的旋转方向不同，带动收放锁线完成起降支撑杆收放，只需1个通道即可控制。

（3）模式切换变形控制（1个通道）：变形主要由机身内部的蜗杆蜗轴及连接杆控制，对两侧的履带部分进行收放，同时完成飞行结构多旋翼的变形准备。蜗杆蜗轴的旋转方向不同使得机体变形成为不同的越障模式，只需1个通道控制。

（4）飞行控制（6个通道）：其中1通道为控制飞行模式下飞行器的副翼舵效即飞行器的左右横移，2通道为俯仰舵效即飞行器的前进后退，3通道为飞行器的油门既飞行高度上升下降速率的控制，4通道为方向舵效即飞行器航向的改变，五通道为三段飞行模式控制，一段GPS+GLONASS双模卫星定位（未来支持北斗+伽利略）飞行，二段半自主增稳辅助飞行模式，三段为手动驾驶模式，6通道为自主飞行模式切换（自动航线驾驶及自主返航飞行模式）。飞行越障结构为四角定点多旋翼，控制难度较大，另外为保证空中飞行时的安全，飞行控制必须精密稳定，才用6个通道控制各点旋翼的速度及飞行方向。

3.飞行越障车整体结构布置设计

此产品共进行了七个阶段共两代的设制造与测试实验。第一阶段是对一代产品的电脑建模及理论论证。第二阶段是对一代产品进行整体制作，在实际制作过程当中完善了一些在第一阶段进行的结构设计，并将理论与实际紧密结合，修改了很多在应用上得不到如实体现的地方。一代产品设计时整体结构由小车底盘，车轮，电机，联轴器，丝杠，导柱，直线轴承，铰链，旋转长臂，旋转短臂，连接杆，旋翼固定横梁组成。步进电机通过螺栓刚性连接在电动越野车模型底盘中心位置上，模式切换装置带动旋翼结构布置在电动越野车模型底盘两侧。

二代产品对比第一代进行设计改进：1.整体重心降低，得到更好的高速行驶能力;2.履带的应用能够获得更好的通过性，可实现坦克式原地掉头，增加负责地形地貌下的机动性;3.下置螺旋桨，提高飞行器整体气动效率（对比上置螺旋桨在桨叶做功时没有任何接线链接部件干扰下洗气流），增加车辆上部设备及运载应急物资的空间。

四、震区先导抢险飞行越障车研究制作

1.车身结构制作

车体结构为越障车的主体部位，为保证车身的轻便性及结构坚固性，为飞行越障提供保障，主体结构支撑骨架制作材料选择了直径30mm的碳纤维杆，整体结构为双“H”形结构，电子线路及载物平台固定在骨架上方，载物平台制作材料为2.8mm轻木层板。车体骨架下方由两侧负重导轮及履带支撑，负重导轮及履带采用3D建模打印，履带宽度47mm，每侧有6个负重导轮，传导轮直径为23mm，双轮宽24mm，单体最大载重5kg;每个负重导轮与电机之间有3D打印制作的减震支臂侧方连接，支臂长度为92mm，力矩为1：3，3D打印材料为TPU和PLA材料，柔韧度92D，保证坚固性。由2.8mm轻木层板对导轮及履带进行限位，防止在路面行驶越障过程中出现错位故障。履带动力配置为120A有刷电子调速器及高扭矩540有刷电机，能够提供良好的线性动力输出，具有低成本，易维护的特点。各连接位置由7075型号航空铝材质的固定环及螺丝进行固定。

2.旋翼选择及位置装定

旋翼制作材料选择与车体结构骨架材料选择相同，为碳纤维材料，保证坚固性。根据越障车整体大小，旋翼整体制作为长度13寸，螺距4。旋翼电机为无刷电机，型号5212，电压22.2V，单体最大拉力3.2kg，KV值340，搭配无刷电子调速器，电流120A。为了使整体结构设计合理，能够满足变形功能，并最大限度的节约越障车所占空间，旋翼固定在结构骨架四个角，路面行驶越障时，旋翼及电机为竖直状态，飞行越障变形完成后为下置水平状态。四个旋翼及电机利用航空铝材质的固定环与碳纤维杆骨架及路面行驶结构（包括路面行驶动力电机、减震支臂、负重导轮、履带）固定在一起，使得功能模式转换时能够完成同步变形。

3.模式切换模块制作

模式切换模块可分为两部分，第一部分为车体前后两端下方的起降支撑杆。起落杆为T形，金属材质，长度大于两侧履带结构支撑高度，用于将车体支撑起来，为模式转换的变形提供足够的纵向空间。起降支撑杆由车身底部正中心的电机配合舵机控制，借由钢丝线传导及起降支撑杆上的弹簧，完成收放。舵机支架、拉线支撑、收紧轮及支撑结构均由3D建模打印完成，打印材料为TPU（高强度无变型）和PLA材料（柔性材料，整体减震，缓冲特性）。

第二部分为蜗杆蜗轴结构，安装在车身正中心位置。蜗杆蜗轴由370有刷电机+行星减速齿轮组（电压12V）控制。由蜗杆和固定环将蜗轴与结构骨架、路面行驶结构及旋翼进行连接传动，完成变形。

4.供电控制单元选择及分配

为保证越障车的各不同功能部分供电安全充足，在供电控制单元设计采用了分别供電，并根据不同部分的耗电需求不同设计制作了电池组。电池组为锂电池组，飞行越障模式下由一组 6S 22.2v 5300毫安时60C放电倍率的锂电池负责供电，理论最大放电能力可达到318A，同时负责飞行控制系统及无线电遥控收发系统，图像传输系统的供电。路面行驶越障模式由一组3S 11.1V 750毫安时90C放电倍率的锂电池负责动力输出，在保证续航的情况下做到减重快充，快捷更换拆装的特点。整体电路图如图所示。

5.软件系统选择及安装分配

为了实现对越障车各部分进行精准控制，软件操控选择了PWM10通道2.4GHz跳频技术的接收发射系统，遥控半径3000m。控制接收装置安装在车体前端轻木层板搭建的载物平台上，平台上按有3D打印设计制作成的基座，能够很好地对操控设备进行固定。

五、下一步工作计划

1.拟对各部分的供电模式进行改进，主要结构改良为单独供电，提高续航行驶时长。

2.拟将现有的履带导轮变为变径步行式结构，提高对地形的适应能力。对机体进行改进，搭建更好的载人载物平台，加装机械操控结构，在未来能够实现不仅能进行复杂地形的越障，还能够搭载通讯基站进行信号发射，快速运送少量急需物资，以及利用搭载的机械操控结构更好的完成震区的先导抢险。

3.拟对各部分的供电模式进行改进，以提高电池的能量密度和阻燃性为宗旨，并将主要结构改良为单独供电，提高续航行驶时长。

4. 从Manhattan（曼哈顿球）获得灵感，基于张拉机构自稳定、自适应复杂地形、可折叠、柔性好、高强度-质量比、抗压抗震性的特点，提出利用六杆张拉机构实现平板减震结构的新装置。将张拉机构布置于飞行器的下端和驾驶舱两侧，在紧急情况时可以迅速的打开实现飞行器着陆过程中的减震和维持稳定，从而最大限度的保护驾驶者的安全。与安全气囊装置相比，该结构可以承受更大的载荷，制造简单，安装方便。与弹簧减震装置相比该结构稳定性更好，强度-质量比更大，并且收拢状态占用空间更小更适合于飞行装置中。将四个减震单元布置在平面四角组成的减震结构示意样机，我们可以将减震单元布置于飞行器的下端和驾驶舱两侧来保证安全。

参考文献

[1]张丹，吴陈炜，谢安桓.城市交通问题的空中解决方案——自主载人飞行器研究综述[J].无人系统技术，2018，1（02）：1-13.

[2] 莫特罗，素铎，迎春. 张拉整体：未来的结构体系[M]. 中国建筑工业出版社， 2007.

[3] 邹平. 译机械设计零件与实用装置图册[M]. 机械工业出版社， 2013

[4] 汤旭波，李力，朱汉辉，等. 未来交通飞行车设计[J]. 科技广场， 2014 （7）： 247-252.

[5] 许杰仁. 军事科技军用飞行车即将起飞[J]. 环球科学， 2014 （6）： 21-21.

[6] 王志成. 让人期待的飞行概念车[J]. 科普天地， 2015 （8）： 4-4.

[7] 岳基隆，张庆杰，朱华勇. 微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析[J]. 電光與控制， 2010， 17（10）： 46-52.

[8] 董瑞智，李泽文，徐振平. 基于 Arduino 的四旋翼飞行器设计与实现[J]. 电脑知识与技术， 2017 （28）： 112.

[9] 李志强，熊天齐，包佐. 三亚海豚湾罩棚斜拉屋盖拉索张拉方案分析[J]. 建筑结构， 2017， 1.

[10] 王龙飞，赵明，王云力，等. 高地隙履带作业车的设计研究[J]. 农机化研究， 2019 （5）： 49.

[11] 施炎，李康. 基于蓝牙遥控的一种小型履带车结构设计[J]. 中国设备工程， 2019 （15）： 62.

[12] 张翼. 重装集结：二战德军半履带车辆及变型车全集[M].人民邮电出版社. 2016

[13] 王红岩，芮强，高连华，等.军用履带车辆传动装置[M].国防工业出版社，2014

[14] 查尔斯.K.亚历山大（Charles K Alexander），马修.N.O萨迪库（Matthew N O Sadiku）.电路基础[M].机械工业出版社.2019（1）：5-21.

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