无人倾转旋翼机结构设计.doc

无人倾转旋翼机结构设计.doc 无人倾转旋翼机结构设计 -->第一章 绪论 1.1 课题的，背景及意义 本课题拟设计一架用于城市摄影的无人驾驶自动控制航拍飞机。由于城市地形限制，没有适合固定翼飞机起飞降落的场地。且拍摄的时候需要空中悬停，固定翼飞机是无法办到的。直升飞机的起飞和降落虽然不受场地的限制，理论上只需要可以停放飞机大小的场地就可供其起降，且直升机可以在空中任何地方悬停，十分有利于拍摄的进行。但是直升机也有很多不足之处:首先，直升机的速度慢，航程短。当进行远距离航拍的时候，直升机因其续航能力差，十分不利于远程拍摄。其次直升机的载重量比固定翼飞机小，由于本课题的飞机要求飞机具有自动飞行和航拍的能力，因此飞机上就载有大量的感应和控制设备:如高度仪、GPS 定位、陀螺和一些控制飞行的控制电路，因此要求飞机必须有一定的载重量。最后，直升飞机受气候影响较大，很容易因为气流的变化而坠毁，由此带来的自动控制方面的难度的加大。为了将直升机的垂直起降、空中悬停和固定翼飞机的大航程、高速度、载重量大、受气候影响小相结合设计出一种既可以垂直起降、空中悬停，又可以挂载大量的设备和进行远距离飞行的飞机，经多方查找资料，最终考虑到结合这两种飞机优点的倾转旋翼机。倾转旋翼飞行器是一种推力换向式飞行器，依靠机翼末端的旋翼实现垂直起飞着陆，通过两旋翼的倾转实现固定翼方式的水平飞行，使该类飞机兼有直升机和固定翼飞机所具备的能力。因此，它比直升机飞的更远，比固定翼飞机更容易起飞和降落。倾转旋翼机具有三种飞行模式:直升机模式，固定翼模式和过渡模式。倾转旋翼机在结构方面最主要的特点是机翼两端的旋翼能按飞行模式的转换进行一定角度的倾转。在起降、低速飞行与悬停的时候以直升机模式飞行，此时旋翼平面与机体纵轴平面平行，提供飞机所有的升力与操纵力，此时的飞机相当于一架列式双旋翼直升机。当要提升飞机的飞行速度的时候，旋翼开始慢慢前倾，进入过渡模式，当旋翼平面完全垂直于机身纵轴以后，倾转旋翼机就以固定翼模式飞行，此时旋翼相当于普通固定翼飞机的螺旋桨，对飞机产生向前的推力，依靠机翼产生飞机所需要的升力。在直升机模式与固定翼模式之间转换时，如果只有旋翼与驱动轴倾转，发动机舱保持不动，则为倾转驱动轴式;发动机舱跟着倾转的，即倾转旋翼式;连同整个机翼一起倾转的，即倾转机翼式。 1.2 飞行器的主要任务 针对该飞行器适用场合与功能要求，要求该飞行器可从地面主站手控垂直起飞后，按照预先设定的飞行路径自行飞行至目标位置，完成拍摄，存储，数据发回等功能后按照设定路线返回并垂直降落。并且在飞行途中实时发回飞行姿态信息，包括高度，坐标，速度等信息，以便于地面控制台在出现异常时发送控制信息。该飞行器主要由空中飞行部分和地面接收监测部分两部分构成。其中空中飞行部分又由机身，发动机，倾转控制部分，舵机控制部分，GPS 导航部分，摄像部分，DSP 数据处理部分，MCU 控制部分以及与地面通讯部分组成。地面接收部分主要由数据接收部分与地面控制部分组成。空中飞行部分主要完成自动巡航拍摄，空中定位与飞行姿态的自我控制功能。地面接收部分主要完成对飞行部分的实时坐标监控，发送目标位置信息以及当飞行器出现问题时的紧急手动控制等功能，并且在起飞与降落时都要依靠地面接收部分来实行手动控制。 ......... 第二章 机翼升力原理与倾转旋翼机 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 模型、PID 算法简介 2.1 机翼升力原理 鸟类依靠翅膀的不断扑动而产生升力，来支持它的体重在天空中飞翔。可是飞机的翅膀——机翼，在飞行时相对与机身是静止不动的。那么它是如何产生升力的呢,这个问题首先得从空气谈起。 2.1.1 空气流动的压力 空气主要是有气体分子组成，这些分子是十分活跃的，即使是非常平静的空气，它们也是一刻不停的向着四面八方、杂乱无章地运动着，这就是空气分子的热运动。这些热运动的分子会不停的撞击处于空气中任何物体的表面，这些撞击力量的总和，就形成了空气压力。凡是与空气接触的表面，都同时受到这种压力的作用，它随着空气密度的增加而增大。当空气静止的时候，这些空气分子热运动的方向是随机的，但从宏观上看，朝向任何方向撞击的分子的统计值是相同的，因此静止状态下空气各个方向的压力相等。 .......... 2.2 倾转旋翼机力学模型 2.2.1 坐标系的定义 (1)机体坐标轴系Oxyz :此坐标系又可称为体轴系。其中原点O 位于飞机质心上，Ox与机身纵轴重合，指向前方，Oz轴垂直于Ox 指向机身下方，Oy 轴垂直于Oxy 平面指向机身右方，Ox、Oy 、 Oz满足右手螺旋定律。体轴系随着飞机飞行姿态的改变而改变，但 相对与飞机本身是不变的，这样可以简化许多数学计算。 (2)浆盘坐标轴系ssssO xyz:此轴系用来计算旋翼拉力与力矩。 其中sO 位于旋翼浆毂中心;sssO xy平面与浆盘平面重合;sz 与旋 翼轴重合，在直升机模式下指向上方，与体坐标z轴夹角为浆轴前 倾角ai 。 (3)铅垂地面坐标系与体轴系之间的关系:铅垂地面坐标系与体轴 系远点重合，但是三个坐标轴所指方向不同，铅垂地面坐标系坐标 轴方向恒定不变，而体轴系方向随飞机的飞行姿态转换而变化，可 定义三个欧拉角来将两个坐标系联系起来。它们分别是:偏航角 — —机体轴 x 在水平面ggOx y上的投影线'x 与gx 轴之间的夹角。 俯仰角 ——机体轴 x 与水平面ggOx y之间的夹角。滚转角 —— 飞机对称平面Oxz与包含x 的铅垂线之间的夹角[1]。 ........ 第三章 系统结构部分设计与实现........................17 3.1 本章引言................................................17 3.2 总体结构设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ...................................17 3.3 机翼结构设计...............................19 3.4 尾翼结构设计..........................22 3.5 旋翼头结构设 其他结构件的设计......................................25 3.7 本章小节........................................26 -->第四章 倾转电机的 PID 倾转角度控制.............................29 4.1 引言.................................................29 4.2 总体控制方案..................................29 4.3 主控板卡的硬件设计................................30 4.4 主控板卡单片机的软件设计................................324 4.5 FPGA 内 verilog HDL 硬件编程实现..........................35 4.6 系统性能评估..................................38 4.7 本章小节.............................41 第五章 系统可靠性保证5.1 可靠性的基本概念 5.1 可靠性的基本概念 可靠性是指:可靠性的研究对象——产品，带软件的硬件，其可靠性还要同时考虑其所带软件的可靠性; 规定的条件:包括环境条件、维修条件、使用条件等;规定的时间:产品完成规定功能的时间; 规定的功能:是指在论证、研制时赋予产品的功效和作用，通常用产品的性能指标来表征。 能力:是指产品可靠性在上述三个“规定”上的综合体现，刻画出了产品的可靠性不是产品的性能，而是产品抵抗外部条件的影响而保持完好的能力，表征了可靠性是产品的一种特性和产品质量的重要组成部分[3]。根据上述理论得知:可靠性是标志着一个系统是否研制成功的首要条件。在本文所设计的飞机中，由于产品要在复杂环境下工作，控制复杂，并且存在强度与重量的矛盾以及倾转电机控制精度与倾转速度、力矩之间的矛盾，如何保证系统的可靠性是一个很重要的问题。本章将结合实际工作中的讨论与改进，针对设计的需要，从结构设计与倾转控制两方面进行说明。 .......... 第六章 总结 本文于航天时代公司某研究所的横向课题研究，该课题要求设计一架用于城市摄影的无人自动控制的航拍飞机。针对该飞行器适用场合与功能要求，要求该飞行器可从地面主站手控垂直起飞后，按照预先设定的飞行路径自行飞行至目标位置，完成拍摄，存储，数据发回等功能后按照设定路线返回并垂直降落。并且在飞行图中实时发回飞行姿态信息，包括高度，坐标，速度等信息，以便于地面控制台在出现异常时发送控制信息。根据倾转旋翼机飞行理论的要求，本文设计了以钛合金为材料的飞机结构设计，并对倾转控制部分电路软硬件进行设计。对结构各部分功能与设计思想进行了详 述，并给出各部分结构的 3D 效果图。倾转控制部分对控制电路硬件部分进行了详细的描述，给出各部分硬件的设计框图，对软件部分设计思想与软件结构进行详述，给出软件设计的 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图。本文主要完成的工作有:1、根据设计要求给出设备的整体设计方案。通过对飞机等功能要求，工作场合，需要设备等因素的分析，确定了倾转旋翼机的设计方案，并在后续的工作中，查找阅读资料，确定为倾转部分机翼的设计方案。2、查阅倾转旋翼机资料，学习倾转旋翼机飞行知识，分析倾转旋翼机的各项数学参数，建立倾转旋翼机的力学模型，并对各项参数进行计算。对一些关键部分进行平衡折中考虑。3、通过上面理论分析的结果与确定飞行方案进行飞机结构设计。考虑结构强度与飞机起飞重量问题，选择合适的材料，在强度要求高的部分进行加强，保证强度，在强度要求不高的地方适当采取镂空等方法，减轻重量。总的原则是在保证飞机结构强度的前提下尽量减少结构重量。结构设计主要包括飞机的翼型，翼展，倾转传动，动力系统，尾翼等方面。4、对倾转部分电机的控制电路进行设计。为保证控制精度的要求，应用一定的算法对电机的转动角度进行精确控制。包括硬件电路的设计与相应嵌入式软件的设计。结构设计与倾转控制设计是倾转旋翼机设计的重要环节，是保证倾转旋翼机飞行安全与稳定性的重要保证。本文在这两方便进行的大量工作，在结构上实现了重量与强度之间矛盾的合理结合，并且简化了设备安装调试的困难，减小了自动驾驶方面控制的难度。并在倾转电路设计上加入 PID 算法的应用，保证了倾转角度的精确与倾转力矩的要求。在以后的工作中，将根据本设计的经验，设计功能更齐全，结构更复杂的升级产品。