答辩用PPT教材

四周飞行器研究方向
低雷诺数的空气动力学研究，其中雷诺数(Reynolds number)是 一种可用来表征流体流动情况的无量纲数，雷诺数小意味着流体 流动时各质点间的粘性力占主要地位，雷诺数大意味着惯性力占 主要地位。 分析和计算的模型，在对无人机进行研究之前应先建立一个模 拟仿真模型，在这个模型中，我们可以对无人机的姿态控制做仿 真取到先验知识，这是无人机研究的基础。 材料以及坚固的结构，飞行器外部结构的要求就是有足够强度 的前提下尽量减轻重量。 稳定的飞行导航和控制技术，这里有一个分层的概念稳定的飞 行状态是飞 行器正常工作的前提。这里应该做到飞行器的抗干扰能力强， 飞行平稳，有故障保护。在控制稳定的前提下，飞行器应该通过 传感器系统感知的外部数据情况，制定自己的航向，以达到自主 导航，避障等功能。 地面软件的开发，作为无人机系统，现在要普遍用到地面基站 的支持，做到制定飞行器的航向与飞行器稳定的数据传输。
缺点和不足
四旋翼直升机在飞行过程中，容易受到外部气流的干扰。另外，由 于微小型四旋翼直升机选用的旋翼尺寸小、质量轻、易变形，难以建立 其精确的动力学模型。 四旋翼直升机在空间的运动具有六个自由度，包括飞行器质心平移 时的三个线自由度和飞行器绕其质心旋转时的三个角自由度，而其控制 输入量只有四个旋翼的转速，因此，四旋翼直升机是一个典型的欠驱动 系统(Under actuated System)。由于欠驱动系统是具有非完整约束的本质 非线性系统，且不能完全反馈线性化，这就使得欠驱动系统的控制设计 变得比较复杂。
飞行控制系统需求分析
四旋翼飞行器要保持稳定的飞行状态必须具备各种信息传 感器、自动飞行控制系统和执行机构等一整套完整设备。传感 器是用来测量飞机姿态及位置信息的，自动飞行控制系统根据 传感器测量出的信息生成使飞行器稳定飞行的控制指令，然后 控制执行机构最终完成。
自动驾驶仪是自动飞行控制系统中最基本的组成部分 。四 旋翼飞行器自动驾驶仪由传感器、飞行控制计算机、电子调速 器以及电机构成，主要可分为传感器分系统、飞行控制计算机 和伺服作动分系统，系统结构如图所示。
项目研究背景、意义与创新
▪ 四旋翼飞行器：四旋翼飞行器是一种可以垂直起降的微 小型无人飞行器，其优点是：能够适应各种环境；具备 自主起飞和着陆能力，高度智能化；能以各种姿态飞行 ，如悬停、前飞、侧飞和倒飞等。主要应用有：难以接 近或很难到达的工作环境（如星际飞行）；危险的工作 环境（如战争中）；飞行单调的工作环境；飞行时间长 的工作环境（大气观测，数据传输）。由于其对可靠习 惯要求较高，功能复杂，研发成本高，一直主要的应用 是在军事领域。 ▪ 机械手：也被称为自动手，是能模仿人手和臂的某些动 作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的 自动操作装置。主要由手部、运动机构和控制系统3部分 组成。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多， 机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。 一般专用机械手有2～3个自由度。
四旋翼飞行器的工作原理
四旋翼飞行器的动力输出是由四个螺旋桨来共同完成的，四 个螺旋桨分为两组前后和左右分别向相反方向转动，这样就消除 了飞行时转动的扭矩。通过对螺旋桨转速的控制，四旋翼飞行器 可以完成上升、下降、转弯等动作，具体工作原理见图。
四旋翼飞行器的优势
四旋翼飞行器与同轴飞行器相比最大的优势在于机械结构 相对简单，四个螺旋桨相互协作使飞行器的运动更加灵活。飞 行器的性能高低的体现大部分在于外部传感器精度的大小以及 数据融合算法的优劣，这个特性也降低了四旋翼飞行器开发的 门槛以便于更多的开发人员加入进来，这也同时推动了四旋翼 飞行器的快速发展。
源自文库
项目研究的目标及主要内容
项目的主要研究目标是设计并制造出成本低， 易于操作的带有机械手的四旋翼飞行器，从而完成 项目。 主要内容是： （1）制作一个四旋翼飞行器，使其可以完成自 动导航，自动抵达设定目标的指令。 （2）制作一个机械手，使其完成基本的捕捉动 作、对目标物体抓取的要求。 （3）将两个目标合成一个项目，使其达到平衡 ，正常运行。
具有机械手捕捉功能的 四旋翼飞行器设计及实现
项目成员：王博文 苏涵 李俊蓬 王樾
项目组成员情况介绍
▪ 王博文，大二年级学生，具有一定的C语言，数据结构基础 。对于科技制作拥有极高的热情，探索精神和积极的团队 配合精神。参加过星火杯，有关硬件方面有个人的理解和 认识
▪ 苏涵，大二年级学生，高中时曾参加乐高相关竞赛，取得 过省级一等奖，学习过C语言与Labview上位机，对Arduino 及其相关元器件较为熟悉，同时对硬件搭建方面也有很大 兴趣。 ▪ 李俊蓬，大二年级学生，有一定的C，PASCAL语言功底，自 学HTML及PHP语言，对飞行器动力系统及控制系统有一定研 究，曾制作过单轴飞行器； 精通计算机硬件，曾参加星火 杯，对四轴飞行器有浓厚兴趣。 ▪ 王樾，大二年级学生，具有扎实的C语言，数据结构，线性 代数功底，拥有良好的学习习惯和研究热情，积累了一定 的计算机编程能力； 对硬件感兴趣，参加过星火杯，与队 友一起研发了四旋翼飞机；自学单片机相关知识。
飞行控制系统总统结构
根据四旋翼飞行器飞行控制系统需求，采用如图所示的 数字式飞行控制系统来实现。
机械手的广泛应用
(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上 使用较为普遍。 (2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印 制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。 (3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以 代替人的劳动。 (4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物 的搬运等。 (5)宇宙及海洋开发，军事工程及生物医学方面的研究试验。
缺点和不足
机械手控制系统主要采用以下三种力式: 一是传统的继电器控制，该方式控制系统装置因设计复杂、接线繁 杂、易受干扰，从而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题已逐步 被淘汰； 二是采用可编程控制器PLC，该方式的控制系统运行可靠，使用维 修方便，编程简单，抗干扰性强，优势明显，但是PLC般成本较高； 三是采用微机控制，该方式有较强的智能性，价格便宜，但也在小 足之处，既抗干扰性差，系统设计复杂，一般维修人员难以掌握其维 修技术。