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自主式模块化无人机设计开题报告
文章来源:www.amhari.com   发布者:学生毕业作品网站  

毕 业 设 计 开 题 报 告

1.选题依据:

1引言
    近年来,随着现代控制理论与电子控制技术的发展,自主式模块化无人机的研究也被重视起来。自主式模块化无人机是一种特殊的无人机,由多个旋翼式飞行引擎来为其提供动力。因为自主式模块化无人机这种特殊动力结构,所以它不需要专门的反扭矩桨来维持平衡。同时,自主式模块化无人机采用电池和电动机提供动力[1] ,这些因素都使得其机械结构相对简单很多。
    由于自主式模块化无人机具有体积小,成本低,飞行灵活,操作简单等众多优点,因此在军用和民用领域都具有较为广泛的应用前景。在军用领域,以自主式模块化无人机为代表的小型飞行机器人,可由单兵携带,操作简单,在执行小范围低空侦查中具有很大的优势。甚至,在自主式模块化无人机上安装弹药后,可以直接飞向敌方阵地执行战略攻击任务。目前很多国家,如美国、俄罗斯等都在加紧军用机器人的研制,而自主式模块化无人机也定会成为小型飞行机器人的一个发展趋势[2] 。在民用方面,目前而言,自主式模块化无人机飞行较多的应用于航拍和测绘等空中影像采集中。除此之外,人们也在尝试将其应用于更广泛的行业,比如快递运输,电缆架设,农药喷洒等[3]。

与传统的人中作业相比较,自主式模块化无人机在众多方面都展示出了它的优越性。自主式模块化无人机受地形影响较小,可以在复杂的环境中飞行,到一些人员不容易到达的地方,比如可以完成进行灾后搜索、救援等任务[4]。另外自主式模块化无人机可以代替人完成一些例如强辐射、高低温、高空、有毒等危险环境中的工作。用自主式模块化无人机来进行高危环境下的工作,将会极大的提高工作效率,减少人员伤亡[5] 。自主式模块化无人机的应用必定会成为当今社会发展的趋势,对自主式模块化无人机的研究正是科技创新的潮流。自主式模块化无人机的快速发展将会为人们的生活带来无限便利,所以这项研究具有巨大的现实意义。

2国内外相关研究现状与发展趋势

2.1国外发展现状

对于自主式模块化无人机的研究其实在很早就已经开始了。1903 年,美国莱特兄弟发明的世界上第一架载人动力飞行器问世[6],从而揭开了近代航空发展史的序幕。在此之后没几年,Bréguet-Richet 在 1907 年就让世界上第一架多旋翼飞行器“Gyroplane1”成功离开地面,“Gyroplane 1” 多旋翼飞行器。虽然该多旋翼飞行器尚未具备当今这些高端的传感器设备,也未能如想象中那样自由飞翔[7],但这的确是飞行器历史上的一个伟大的突破,多旋翼飞行器的概念从此建立。但可惜的是,由于结构复杂、操作困难等原因,大型多旋翼飞行器的发展一直都很缓慢[8]。所以尽管人们很早就研究出了这些原型机,并且也获得了一定的成果,但多旋翼飞行器并没有在实际有多少应用。20世纪90年代之后,随着微机电系统(MEMS)研究的成熟,几克重的MEMS惯性导航系统被制作了出来[9] ,使得多旋翼飞行器的自动控制器可以做了。但是MEMS传感器数据噪音很大,不能直接读出来用,于是人们又花了一些年的时间研究MEMS去噪声的各种数学算法[10]。这些算法以及自动控制器本身通常需要速度比较快的单片机来运行[11],于是人们又等了一些年时间,等速度比较快的单片机诞生。接着人们再花了若干年的时间理解多旋翼飞行器的非线性系统结构,给它建模、设计控制算法、实现控制算法[12] 。

因此,直到2005年左右,真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出来。之前一直被各种技术瓶颈限制住的多旋翼飞行器系统突然出现在人们视野中[13],大家惊奇地发现居然有这样一种小巧、稳定、可垂直起降、机械结构简单的飞行器存在[14] 。一时间研究者趋之若鹜,纷纷开始多旋翼飞行器的研发和使用。

由于自主式模块化无人机的众多优点和广泛的应用前景,对广大科研人员有着极大的吸引力,已经成为新的研究热点。尤其是在像欧美这些地区的一些发达国家,在小型,超小型无人机研究领域中,自主式模块化无人机已逐步取代直升机式无人机[15] ,从而成为旋翼无人机的主流方向。现在很多国家都有专业的自主式模块化无人机科研团队,其中 Microdrones 的产品性能相对稳定,但是价格也比较昂贵。初期的 Microdrones产品因为采用低转速的电机,抗风性能以及载重能力都有些欠缺,只能载重一个200g 以下的数码相机,很难搭载其他的传感器模块来执行任务。经过一系列改进后, 如今 Microdrones 已经有众多产品上市[16] ,Microdrones 的 MD4-1000已经成为了全球专业市场最畅销的经典自主式模块化无人机之一。CrazyFlie 是一个开放的自主式模块化无人机,可用于各种不同用途[17]。因为开发平台是完全开源的,所以它的具体的参数和资料都可以在 Bitcraze 网站上查找到,其中也包括具体的使用方法。因为 CrazyFlie 体积极小,所以能够在室内灵活地飞行。虽然它的外形轻巧,但仍有近 10 克的承重能力。除了这些优点以外,CrazyFlie 还有另一个极其重要的优点,那就是它的成本相当低,所以众多自主式模块化无人机 DIY 爱好者都是以此为参考。

2.2国内发展现状

对于国外自主式模块化无人机研究已经开展的如火如荼的现状,我国部分高校和研究院也开展了对自主式模块化无人机的相关研究工作,并且取得一定成果[18]。国内在自主式模块化无人机研究领域比较有代表性的高校有哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、北京航空航天大学等。此外,位于深圳市的大疆创新科技有限公司是全球著名的民用自主式模块化无人机研发和生产商。大疆的自主式模块化无人机配备有高清摄像机用于航拍,飞行稳定、操作简单,深受各行各业以及业余爱好者的喜爱[19]。据大疆方面透露,到目前为止,大疆已占据全球小型无人机半数以上的市场份额。然我国近几年在该领域有所成就,但是由于起步相对较晚,相对于发达国家还存在一定差距[20],自主式模块化无人机的研究也尚未广泛开展,所以仍需要加大研发力度。

3总结

通过对自主式模块化无人机的发展和国内外研究现状的分析得知自主式模块化无人机所存在的意义和潜在价值。首先对自主式模块化无人机的机架结构进行了分析,材料的特性进行叙述,选择出最合适的机架材料和合适的结构,然后分别对自主式模块化无人机的动力源电机和控制电机输出功率的电调进行分析,分别对电机电调的各个种类进行介绍,重点分析了无刷电机电调和有刷电机电调的区别以及相应的工作环境,根据自主式模块化无人机的运载载荷要求选择了最合适的电机以及与之配对的电调。再然后分别对自主式模块化无人机的各类电池进行介绍,对锂聚合物电池的各项参数进行分析,根据自主式模块化无人机的运载载荷、电机的工作功率要求选择出最理性的电池容量。最后根据自主式模块化无人机的飞行姿态的模型表示来调试飞行控制器,分布对几种常见的飞行模式进行解释。根据飞行半径选择最合适的遥控器。

虽然从自主式模块化无人机的各项配件来看已经达到了一个性价比较高的配置,但由于选择的机架材料是碳纤维,其硬度强度都大大超出常规的玻璃纤维材料。其力学性能足以满足自主式模块化无人机的要求。所以并没有对机架的各个部分进行力学分析、动态力学实验,导致的后果就是使得机架的材料的性价比低于最优材料,以至于整个自主式模块化无人机的最终性价比降低。并且机架的选择在才常规的环境要求下选择的,并没考虑到强酸强碱强腐蚀以及更复杂的工作环境,一旦进入负责的工作环境,将有可能出现掉高、坠机等意想不到的情况。其次自主式模块化无人机的所有电子设备设计是假设在干燥的环境下进行的。所以的电子设备均没有做防水措施,所以一旦遇到潮湿的环境或者电子设备遇水,一定会导致电路故障,严重会引起火灾。自主式模块化无人机的飞行姿态设计是假设在正常的工作情况下进行的,所以并没有做任何的防范措施,在飞行过程中一定出现意外,将是毁灭性的打击。

今后将从自主式模块化无人机的工作环境出发详细的分析计算每一部分,做到最优的设计和选择,在选择电子设备的时候把防潮防水防尘抗震等复杂的因素考虑进去,最后做好最坏的打算,把自主式模块化无人机在飞行过程中将遇到的一切意外考虑到补救措施中,比方说安装紧急降落伞,尽可能的减少自主式模块化无人机在意外中的损失。

参考文献

[1] 程雪工. 自主式模块化无人机设计[D].[博士学位论文].西安:西安电子科技大学,2013.

[2] 肖钱云. 基于单片机的飞行控制器开发与实例[D].[硕士学位论文].西安:西安交通大学,2010.

[3] Inkyu Sa,Miniature six-rotorUAV models and representation Method[J].IEE,2011. 21(3):281-288.

[4]Tiffany Gyro signal transmission and processing [J]. Smart Home and Environmental Information,2013,12:96-99.

[5] 王立潘. 微型自主式模块化无人机控制系统设计[N].上海大学学报(自然科学版)2012,3,12(2)

[6]BouabdallahS.Principle and Application of SCM system [D].Lausance, EPFL2012

[7] 肖阳.无人飞行机器人[M]北京:国防工业出版社,2013,211-233.

[8] 聂波纹. 微小型自主式模块化无人机模型及表示方法研究[D].[学士学位论文].武汉:华中科技大学,2013.

[9] 凌经胡. 自主式模块化无人机飞行控制算法与姿态表示[D].[硕士学位论文]上海:上海大学, 2011.

[10]刘倩. 微型多轴无人机控制系统设计及控制方法研究[D].[硕士学位论文].重庆:重庆大学,2011.

[11]刘辉. 小型电机工作原理及分类[D].北京:北京邮电大学,2010.

[12]Candy. Current research and development of micro and small six-rotor UAV [J]. Electro & Control,2011,6:123-127.

[13]Eadie. Six-axis design of unmanned aircraft attitude [J]. Computer Measurement & Control, 2012,18(3):593-595.

[14]何纹. 化学电池的研究与分析[M].上海:上海科技出版社,2012,56~82.

[15]谭号云.控制工程学第三版[M].湖南:湖南大学出版社,2013.59~92.

[16]张璇子.DIY多轴飞行器从入门到精通[M],南京:南京大学出版社,2012,126~153.

[17]谢权. PCB 设计仿真与优化[M].西安:西北大学出版社,2013.  112~142

[18]Amber. Measurement Studio User Control in Visual C ++ Application [J]. Microcomputer Applications,2013,24(3):170-173.

[19]王小科APM飞行控制器调试与开发[M].上海:上海大学出版社,2014.47~62.

[20]梁小科DIY四轴飞行器基础入门[M].北京:北京邮电出版社,2011.69~82.


 毕 业 设 计 开 题 报 告

2.设计方案:

1研究内容

本次研究内容为自主式模块化无人机的设计,将从无人机的机架、飞行控制器、电机、电子调速器、电池、遥控装置等几个主要配件进行分析优化,选出最佳的配件来组装一架六旋翼无人机。主要是通过遥控器发射信号,接收器接收信号,然后传输到飞行控制器,飞行控制器在根据各传感器的的信号综合遥控器的指令,最后发送信号到电子调速器,电子调速器控制电流的输出从而达到所要求的飞行姿态。要求六旋翼无人机在飞行过程中在失去遥控器信号的情况下不会失去控制坠机,且能自动返航。

2.研究方案

方案1. DGPS/GPS引导系统,虽然精度高,使用简单,但是信号容易受到无线电信号干扰并易丢失。而且传统设计方法亮点不够,难以在设计上胜人一筹。

方案2. 视觉导航和超声波测高辅助引导是一个比较新颖的方法,虽然它成本高,控制算法难度大,但是视觉导航获取的位置信号不受其他信号的干扰,能够使飞机在降落时,安全自主降落在规定区域内,相应的得分机比较多。

从实用的角度出发,我们接下来重点论述方案2,使用视觉导航和超声波测高辅助引导。

该方案结合IMU和加速度计等传感器以及外围电路实现控制飞机平衡的一个独立、完整的硬件系统。它的主要功能为实现如何控制飞机在飞行过程中的平衡进行分析,通过系统中的陀螺仪和加速度计组成的一个精确无漂移的惯性姿态平衡系统。本次自主式模块化无人机采用六个旋翼作为无人机的动力源。六个旋翼处于同一高度平面。相邻两旋翼,一个逆时针旋转,一个顺时针旋转,六个电机对称的安装在无人机的支架末端,且对角线上相对的两旋翼旋向相反。支架中间的工作台上层安放信号接送机、GPS定位系统,中间层安放飞行控制计算器、电流电调集成板。下层安放无人机锂电池,以及航拍所需要的云台、相机及图形传送系统。六旋翼最大的优点在于升级空间广阔,不仅可以运载摄像头,还可以卸载摄像头后在工作台下层按照其他设备。

3.研究方法

本课题的主要研究方法主要有比较分析、逻辑分析、建立数学模型、文献资料等方法。本文先阐释一下有关自主式模块化无人机研究理论基础,系统的对无人机的设计要求,设计思路进行分析,并对其主要优化方案进行梳理,联系实践情况选取最佳方案。最后对自主式模块化无人机的优缺点及相应的解决方法进行总结。

技术路线:文献检索与资料搜集→理论资料的论证→用catia V5R21建立自主式模块化无人机的数学模型→分析自主式模块化无人机的各部件→生成零件图、装配图、爆炸图→选择最佳的各个配件→运动仿真→撰写报告。

4.进度安排

2018年9月1日-11月14日:书写文献综述及开题报告,进行文献翻译,制作开题报

告的PPT,加工实物。

2018年11月15日—3月8日:确定无人机当中的主要零部件,完成整机的组装与调试,

画出相关的整机和其主要零部件草图。

2019年3月9日-3月31日: 完成各零件的二维图和三维图。完成主要零件的原理分析,书写设计说明书。

2019年4月1日-4月19日:检查图纸,说明书,上交全部设计资料给专家评审。

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