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基本信息

項目名稱:
四旋翼飛行器設(shè)計
小類:
信息技術(shù)
簡介:
相對固定翼無人機而言,可垂直起降的旋翼無人機發(fā)展比較緩慢。這是因為VTOL 飛行器的控制遠比固定翼復(fù)雜,早期的技術(shù)水 比擬的優(yōu)點:能夠適應(yīng)各種環(huán)境;具備自主起飛和著陸能力,高度智能化;能以各種姿態(tài)飛行,如懸停、前飛、側(cè)飛和倒飛等。這些優(yōu)點決定了VTOL無人機比固定翼無人機具有更廣闊的應(yīng)用前景。
詳細(xì)介紹:
四旋翼微型飛行器是一種六自由度的垂直起降機,因此非常適合靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下飛行,但是,四旋翼直升機只有四個輸入力, 同時卻有六個輸出,所以它又是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)。圖(1-1)為四旋翼微型飛行器的結(jié)構(gòu)俯視圖。與傳統(tǒng)直升機相比,該飛行器有下列優(yōu)勢:側(cè)面電機1、3順時針旋轉(zhuǎn)的同時,前后電機2、4逆時針旋轉(zhuǎn),因此當(dāng)飛行器平衡飛行時,陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消。 飛行器在三維空間中具有六個運動自由度,包括三個坐標(biāo)軸方向的線運動和三個坐標(biāo)軸方向的角運動。上下的平移運動是通過四個電機同時增速(減速)得到的,當(dāng)四個電機的升力之和等于飛行器的自重時,飛行器便保持懸停。水平面內(nèi)的前后運動是電機1、2增速(減速)的同時,電機3、4減速(增速),此時保持旋翼1、3對機身的反扭矩等于旋翼2、4對機身的反扭矩,在電機1、2與電機3、4的升力之差作用下機身發(fā)生傾斜,得到水平面內(nèi)的前后運動。俯仰運動是通過電機1、3轉(zhuǎn)速保持不變,電機2增速(減速)的同時,電機4減速(增速)得到的。 偏航運動是電機1、3增速(減速)的同時,電機2、4減速(增速),此時旋翼1、3對機身的反扭矩大于(小于)旋翼2、4對機身的反扭矩,機身便在多余扭矩的作用下得到偏航運動。組合以上的基本運動,可以實現(xiàn)四旋翼微型飛行器的各種復(fù)雜運動。

作品專業(yè)信息

設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

撰寫目的:初步實現(xiàn)飛行器的升空并作出后退、懸停等一系列動作以及計算機模擬。 基本思路: 第一階段:查閱資料研究確定具有可行性的技術(shù)方案; 第二階段:設(shè)計電子電路; 第三階段:完成軟硬件的基礎(chǔ)調(diào)試及計算機模擬; 第四階段:飛行器調(diào)試試飛。 創(chuàng)新點: 四旋翼飛行器本身采用四個螺旋槳提供升力,飛行器的飛行控制完全依靠四個旋翼不同的旋轉(zhuǎn)速度來實現(xiàn),這與普通直升飛機相比免去了主旋翼自身角度的變化,控制相對簡單。飛行控制由單片機控制,操作更加簡單,飛行更加平穩(wěn)。技術(shù)關(guān)鍵與難點: 飛行控制問題是微小型四旋翼無人直升機研制的關(guān)鍵問題,其主要有三個方面的困難:首先,對其進行精確建模非常困難;其次,微小型四旋翼無人直升機是一個具有六個自由度,而只有四個控制輸入的欠驅(qū)動系統(tǒng),這使得飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計變得非常困難;最后,通過一定的狀態(tài)估計方法獲得必要的狀態(tài)反饋是實現(xiàn)自主飛行控制的一大工程難點。這三個問題解決成功與否,是實現(xiàn)微小型四旋翼無人直升機自主飛行控制的關(guān)鍵,具有非常重要的研究價值。

科學(xué)性、先進性

四旋翼飛行器本身采用四個螺旋槳提供升力,飛行器的飛行控制完全依靠四個旋翼不同的旋轉(zhuǎn)速度來實現(xiàn),這與普通直升飛機相比免去了主旋翼自身角度的變化,控制相對簡單。飛行控制由單片機控制,操作更加簡單,飛行更加平穩(wěn)。

獲獎情況及鑒定結(jié)果

第八屆鄭航“挑戰(zhàn)杯”三等獎、并代表學(xué)校參加河南省第九屆“挑戰(zhàn)杯”

作品所處階段

軟件和硬件的調(diào)試階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

專利轉(zhuǎn)讓

作品可展示的形式

模型

使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測

微小型四旋翼無人直升機具備VTOL飛行器的所有優(yōu)點:能夠適應(yīng)各種環(huán)境;具備自主起飛和著陸能力,高度智能化;能以各種姿態(tài)飛行,如懸停、前飛、側(cè)飛和倒飛等,具有廣闊的應(yīng)用前景。軍事上可應(yīng)用于情報獲取、地面戰(zhàn)場偵察、監(jiān)視、近距離空中支持、禁飛巡邏、電子戰(zhàn)、通信中繼等方面;在民用方面一樣大有可為,如重大自然災(zāi)害之后的搜索與救援,巡邏監(jiān)視和目標(biāo)跟蹤,緝毒和反走私,高壓線、大橋、水壩和地震后路段的檢查,航拍和成圖等。 總之,微小型四旋翼無人直升機飛行控制技術(shù)的研究,從理論和工程的角度都具有重要意義。

同類課題研究水平概述

目前,世界上的四旋翼無人直升機基本上都屬于微小型無人飛行器,一般可分為三類:遙控航模四旋翼飛行器、小型四旋翼飛行器以及微型四旋翼飛行器。 遙控航模四旋翼飛行器的典型代表是美國Draganflyer公司研制的DraganflyerⅢ。它是一款世界著名的遙控航模四旋翼飛行器,主要用于航拍。其機體長(翼尖到翼尖)76.2cm,高18cm,重481.1g,旋翼直徑28cm,重6g,有效載荷113.2g,可持續(xù)飛行16-20min。采用了碳纖維和高性能塑料作為機體材料,機載電子設(shè)備可以控制四個電機的轉(zhuǎn)速。另外,還使用了三個壓電晶體陀螺儀進行姿態(tài)增穩(wěn)控制。 世界上對小型四旋翼飛行器的研究主要集中在三個方面:基于慣導(dǎo)的自主飛行控制、基于視覺的自主飛行控制和自主飛行器系統(tǒng)方案,其典型代表分別是:瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院(EPFL)的OS4、賓夕法尼亞大學(xué)的HMX4和佐治亞理工大學(xué)的GTMARS。 GTMARS是佐治亞理工大學(xué)面向火星探測任務(wù)而設(shè)計的CAD無人機系統(tǒng),其動力子系統(tǒng)和飛行控制子系統(tǒng)的設(shè)計方案均在第17屆美國直升機協(xié)會(AHS)學(xué)生設(shè)計競賽中獲得第一名。它重20kg,旋翼半徑0.92m,續(xù)航時間30min。折疊封裝的GTMARS隨四面體著陸器登陸火星后,能自動將機構(gòu)展開,能自主起飛和降落,巡航速度可達72km/h。此外,它還能返回到著陸器補充能量。 雖然國際上已經(jīng)針對微小型四旋翼無人直升機進行了相當(dāng)廣泛和深入的研究,在國內(nèi),多數(shù)四旋翼愛好者仿制德國開源的成品機,而真正涉及飛控算法和底層硬件的少之又少。
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