北航飞行器设计与工程

北航飞行器设计与工程（精选6篇）

1.北航飞行器设计与工程 篇一

飞行器设计与工程专业前景分析

学号：1081820129

姓名：郭泽宇

飞行器设计与工程专业

哈工大飞行器设计与工程专业简介：

飞行器设计与工程专业的前身是1959年成立的战略导弹总体设计专业，文革期间停办，1990年根据国家航天发展和国防建设需要恢复专业招生，1991年根据国家教委专业设置的原则，更名为飞行器设计与工程专业，1959年至今已经为国家培养21届毕业生。该专业已成为国防科工委重点专业。该专业是我校航空宇航科学与技术一级学科的重要组成部分，下设飞行器设计、人机与环境工程两个二级学科，均具有硕士和博士学位授予权，其中飞行器设计学科是国家重点学科，并建有航空宇航博士后流动站。

飞行器设计与工程专业方向的培养目标：

将人才培养定位于培养高素质的航天专业研究、设计型人才，相应的专业培养目标是培养适应21世纪社会主义现代化建设需要的德、智、体、美等方面全面发展的，具有宽广的自然和人文社会科学基础，具有创新和实践能力的高级航天专业技术专门人才。学生毕业后可在航空航天及兵器等领域从事飞行器总体设计、结构设计、飞行力学与控制等研究设计工作。也可在其它领域从事产品机电一体化设计和控制等方面应用研究、技术开发工作。

业务培养要求：

本专业学生主要学习飞行器设计方面的基本理论和基本知识，受到航空航天飞行器工程方面的基本训练，具有参与飞行器总体和部件设计方面的基本能力。

主要课程：

材料力学、机械设计、弹性力学、结构力学、流体力学与空气动力学基础、飞行器动力学、飞行力学、力学性能与结构强度、试验技术、自动控制理论、飞行器总

体设计、结构设计、复合材料设计与分析、空间制导控制等。

深造与就业前景：

毕业生可选择报考本专业及相关学科专业的硕士研究生，近年来平均考研率40％以上。

毕业生就业实行双向选择，就业方向主要分布在航天、航空研究院（所）、国有大型企业、部队、政府机关等。主要到航空、航天、交通、能源、环境等部门从事飞行器动力装置及其他热动力机械的设计、研究、生产、实验、运行维护和技术管理等方面的工作。从事飞行器设计、仿真技术与控制系统等方面的研究、开发和技术管理工作，就业地点集中在北京、上海、西安、沈阳、成都等大中城市。

各航天研究院：

航天一院:运载火箭技术研究院；

航天二院:地空导弹研究院(长峰集团)

航天三院:飞航导弹研究院(海鹰集团)

航天四院:航天化学动力研究院(固体)西安

航天五院:空间技术研究院

航天六院:中国河西化工机械公司(内蒙古)

航天七院:航天建筑设计研究院

航天八院:上海航天技术研究院(上海航天局)

航天九院:航天基础电子技术研究院

航天十院:航天时代仪器公司（北京）

两大航天集团：

1、中国航天科技集团

中国航天科技集团公司（简称“航天科技集团公司”，CASC）是经国务院批准，在原中国航天工业总公司所属的部分企事业单位的基础上组建成立的国有特大型独资企业，由国务院直接管理。航天科技集团公司具有完整配套的研究、设计、试制、生产和试验体系和技工贸一体化的经营机制，主要研制、生产、经营各类航天运载器、航天器、战略战术导弹以及卫星地面应用系统等航天产品;开发、生产、经营机械、电子、化工、通讯、交通、计算机、医疗等多种民用产品。作为拥有47年历史的特大型国企，航天科技集团书写了震惊世界的两弹一星成就，记录了神舟五号载人飞船的圆满成功，以及发射五艘飞船、六十多颗国产卫星和二十多颗国外卫星的骄傲。

中国航天科技集团公司现在拥有5个大型研究院：

1、中国运载火箭技术研究院（第一研究院）；

2、中国空间技术研究院（第五研究院）；

3、上海航天技术研究院（第八研究院）；

4、航天化学动力技术研究院（第四研究院）；

5、中国航天电子基础技术研究院；

另外有2个大型科研生产基地：

1、四川航天工业总公司（067基地）；

2、西安航天科技工业总公司（062基地）；

此外还有若干直属研究所、工厂、公司等。

2、中国航天科工集团公司

又名中国航天机电集团公司，现拥有4个大型研究院，8个大型科研生产基地、7个直属大型企业和若干直属研究所、外贸公司、投资公司、控股与参股公司等。

拥有3个大型研究院：

一、中国长峰机电技术研究设计院（第二研究院）

二、中国海鹰机电技术研究院（第三研究院）

三、中国河西化工机械公司（第六研究院）

四、中国航天建筑设计研究院（第七研究院）

五、河南航天工业总公司

六、云南航天工业总公司

七、中国江南航天工业集团公司（０６１基地）

八、中国三江航天工业集团公司（０６６基地）

九、湖南航天管理局（０６８基地）

十、自动化测量控制技术公司

十一、中国航天工业供销总公司

十二、直属单位

中国长城工业总公司

2.北航飞行器设计与工程 篇二

四轴飞行器的设计涉及到多个学科的知识, 包括自动控制理论、计算机技术、无线通讯技术、空气动力学等各个学科, 但随着四轴飞行器市场化的逐步成熟, 其设计和制作的技术难度大大降低。本文借鉴已有的研究成果, 采用较为成熟的设计理念和元器件型号, 对四轴飞行器进行硬件和软件的设计。

1 飞行器的设计

1.1 系统硬件设计

飞行控制系统硬件部分主要由电源模块、无线通讯模块、姿态传感器模块、电机驱动模块、主控模块及相关扩展接口等部分组成, 其原理如图1 所示。

主控模块由微处理器和其外围电路组成, 是飞行控制系统的核心模块, 通过接口接收其它模块的数据和遥控指令, 通过PID控制算法控制输出电机驱动数据, 实现飞行器姿态的调整;电源模块的作用是为整个飞行控制系统提供电力供应, 不同的模块所需要的电压会有所差别, 因此需要设计相应的稳压电路;无线通讯模块的主要作用是收到遥控器发送的命令, 同时向地面终端接受信息, 为控制飞行器姿态, 通讯模块需要升降、俯仰、旋转和翻滚四个通道;姿态传感器需要有加速度传感器和角度传感器两种, 为飞行控制系统提供飞行器姿态数据;选用无刷电机作为飞行器的驱动电机, 需要设计电子调速器作为电机驱动模块, 而且需要单独设计, 另外考虑到开关频率特性, 电机驱动模块与电机一一对应, 频率一致。

1.2 系统软件设计

本次设计采用的微处理器为STM32 系列, 支持C语言编写嵌入式软件。使用C语言编写嵌入式软件在项目管理、程序移植等方面相比其它语言具有很大的优势, 因此本次设计采用C语言。编程方式采用直接面向寄存器编程, 提高运行效率。飞行控制系统的主要功能是接受地面控制器遥控信号和姿态传感器的信号, 通过PID控制器和PWM占空比控制实现各电机转速的闭环控制, 实现不同的飞行姿态;同时, 鉴于四轴飞行器的发散性, 引入角速度陀螺仪反馈环辅助飞行控制。

主要执行流程如下:

(1) 系统初始化。系统初始化主要是对内部各模块时钟、总线、控制参数及内部资源等;

(2) 数据输入。接收来自于地面遥控器的控制命令和来自于姿态传感器的测量数据, 其中姿态传感器的测量数据包括陀螺仪传感器和加速度传感器数据;

(3) 姿态融合。姿态融合将地面遥控器控制命令数据和姿态传感器的测量值比较, 将二者的差值通过PID控制器转换成不同占空比PWM脉冲输出, 控制电机转速;

(4) PID控制器。PID控制器的作用是计算姿态差值将其转换成电机PWM输出占空比, 进而输出电机驱动模块, 实现飞行器电机转速的控制。

2 四轴飞行器的应用研究

2.1 航拍

无人飞行器的出现使得以往需要乘坐飞机才能够进行的高空摄影越来越多的变成在地面上通过遥控器控制飞行器和照相机进行, 四轴飞行器作为一种优异的无人飞行器, 其两队旋转机翼对称布置, 机动能力强, 静态盘旋稳定性高, 小型化潜力大, 因此非常适合作为一款航拍飞行器。使用四轴飞行器航拍主要应用在事故灾难救援侦查、城市交通状况巡逻以及大型活动摄影等等多个方面。

2.2 定轨迹飞行。

四轴飞行器通过程序设定可以实现定轨迹飞行, 这就解放了地面控制人员的劳动, 是四轴飞行器具备了初步自主飞行的能力, 也具备了工业化应用的可能性, 实现定轨迹的四轴飞行器在实现简单重复性工作方面具备很大的优势, 同时成本十分低廉, 例如通过设定好巡逻轨迹的四轴飞行器可以携带摄像机实现小区的定时定点巡逻, 携带有红外热像仪的四轴飞行器可以实现电力设备的空中红外测温等。

3 四轴飞行器的应用展望

四周飞行器的应用前景十分广泛, 例如在机场可以可加装蜂鸣器模仿老鹰等猛禽的叫声来驱散鸟类, 也可以增加其称重能力加装农药喷洒装置用于给高树喷洒农药, 电力公司可以使用它来巡视高压电力线路等以便及时发现线路故障隐患, 众多快寄公司正在研究使用四周飞行器等小型无人飞行器来实现城市中近距离的快寄业务, 甚至于未来的一天四轴飞行器有可能作为人类出行的工具代替私家车以改善地面交通拥堵的问题,

摘要：四轴飞行器因其具备可垂直起降、造价低、可重复利用、事故代价小诸多优点, 广泛的用于军事侦察、航拍、交通巡逻等多个领域, 逐渐走进普通大众生活。基于对技术现状分析总结, 设计了四轴飞行器整体技术方案, 并对其在航拍、定轨迹飞行、gps地理位置反馈等方面的应用进行初步研究。

关键词：四轴飞行器,PID,STM32,飞行控制器

参考文献

[1]刘峰, 吕强, 王国胜.四轴飞行器姿态控制系统设计[J].江西科学, 2011, 29 (1) :66-69.

[2]田卫军, 李郁, 何扣芳.四轴旋翼飞行器结构设计与模态分析[J].制造业自动化, 2014, 36 (2) :37-39.

[3]黄鹏宇, 曾路荣, 杨川, 等.一种新型灾难救援四轴航拍飞行器设计[J].四川兵工学报, 2014 (6) :125-128.

[4]李奥伟, 黄起, 杨雪山.四旋翼飞行器的设计[J].电子科技, 2014 (10) :05-06.

3.北航飞行器设计与工程 篇三

装配是产品制造全生命周期中需要耗费大量时间和精力的关键环节。根据Womack等人[1]1990年所作的调查表明, 工业化国家中, 装配劳动量占产品总工时的20%~30%, 装配成本超过生产成本的40%。俄罗斯飞机制造业的统计资料也显示, 在新机试制阶段, 装配工作量高达飞机生产总工作量的75%~80%[2]。因此, 装配技术的发展是保证产品品质和提高生产效率的决定性因素之一。

在飞行器舱板的装配过程中, 现有的翻转机械系统仍以手动操作为主, 对于判断安装位置是否准确到位, 取决于操作人员的目测结果, 往往会造成装配位置不完全对应、装配效率较低、操作人员劳动强度较大等问题。所以实现飞行器舱板自动化装配是当前的必然需求, 也是现代化飞行器装配过程中不可或缺的一部分。

1 机械系统设计要求

翻转机械系统是为了能将飞行器可拆装的舱板以固定方式打开, 并能可靠停放的一种运动工装。主要有以下三点设计要求:

1) 翻转轴为舱板上边沿 (图1中理想转轴) , 即翻转机械系统要保证能够绕着舱板上边沿进行水平翻转, 这是由飞行器舱板的打开形式所决定的;

2) 翻转角度:0°-90°, 初始位置为水平;

3) 翻转速度:10-30°/min;

由于舱板的外形尺寸较大、质量较为沉重、翻转轴位置固定等因素的存在, 所以在进行舱板装配时, 不可能依靠人力直接完成装配, 必须要借助机械系统来完成。作为专门针对舱板装配而设计的翻转机械系统, 可以使整个装配过程完全实现自动化, 并且能够在很大程度上节省工作时间和减小操作人员工作强度, 真正实现高效、精确、可靠的自动化装配。

2 机械系统运动原理及机构设计

2.1 运动原理

为了满足工况需求, 设计以上舱板装配翻转机械系统。该系统拥有水平移动、竖直移动和绕转轴转动三个自由度。如图2所示, 移动架车由四个万向脚轮1、四套支撑垫铁3和架车体5组成, 来实现机械系统较大距离的移动, 在架车移动至目标位置后, 再调整架车体上的四个支撑垫铁, 将架车体上表面调整到指定位姿。然后通过翻转机械系统本身的自由度调整舱板位姿, 直至其到达指定装配位姿, 而这个调整过程就需要由水平移动机构、竖直移动机构和平面四杆机构 (RPRR) 配合来完成。

2.2 机构设计

1) 水平移动机构

如图3所示, 水平移动机构由水平移动电机、两套水平移动导轨、水平移动丝杠螺母和两根与水平移动滑块固定在一起的立柱组成。通过水平移动电机驱动水平移动丝杠螺母机构, 从而使运动部件沿着水平移动导轨方向做水平移动。

2) 竖直移动机构

如图4所示, 竖直移动机构由竖直移动电机通过减速器驱动竖直移动丝杠转动, 而螺母与横梁固连在一起, 通过丝杠的转动带动横梁沿着竖直移动导轨实现竖直方向的移动。

3) 平面四杆机构 (RPRR)

如图5所示, 转动机构由翻转电机4驱动位于电动缸体5内部的丝杠转动, 通过丝杠螺母配合带动电动缸伸缩杆6即螺母进行伸缩运动, 从而促使舱板1绕着转轴做水平旋转, 直至指定位置。其中电动缸支架3和横梁2之间是通过螺栓实现的刚性连接, 在此处视为机架部分。

将绕转轴转动部分用机构运动简图表示, 可得图5中所示的平面四杆机构 (RPRR) , 其中, 伸缩杆CD为主动件, 舱板AC为从动件, 通过控制伸缩杆CD沿着电动缸体BD的移动速度v来使舱板AC绕着A轴的做匀角速度转动, 从水平位置转至竖直位置, 且角速度大小在设计要求规定的范围内。

3 运动规划

如图1所示, 设计要求中所规定的翻转轴应为理想转轴位置, 而在实际设计中, 转轴位置与之存在一定的偏置, 为了使翻转轴满足设计要求, 在绕实际转轴转动的同时, 需要水平移动和竖直移动与之配合运动, 最终实现理想转轴的空间位置始终不变, 即舱板绕着理想转轴转动。

参考图4中得出的平面四杆机构, 建立翻转速度模型, 如图6所示。

根据图6得到的速度模型, 可以得到电动缸伸缩杆CD的伸长量S与舱板转角θ的函数关系式:

将式 (1) 的两边对时间t进行求导可得:

θ=ωt代入式 (1) 和式 (2) 中, 合并两式结果, 得到舱板AC绕转轴进行匀角速度转动时, 伸缩杆CD沿着电动缸体BD方向的移动速度v关于时间t的函数关系:

由式 (3) 得出的结果可求得在理想转轴空间位置不变的情况下, 舱板水平移动速度v1和竖直移动速度v2随时间t的函数关系式:

所以水平移动机构和竖直移动机构只需要施加与v1、v2大小相同、方向相反的移动速度即可实现舱板绕理想转轴的匀角速度转动。

4 虚拟样机仿真分析

在完成方案设计和运动规划的基础上, 对翻转机械系统进行虚拟样机仿真[3], 以保证各项指标性能符合设计要求。

1) 保持架转速验证

将翻转机械系统尺寸参数代入式 (3) 中, 得到伸缩杆CD的速度-时间函数关系式, 将其在虚拟样机仿真软件中添加到相应的motion上, 运行完成后测出翻转速度随时间的变化曲线如图7所示, 转动速度值始终在15.17°/min左右, 运动规划方程正确无误, 转速大小满足设计要求。

2) 转轴位置验证

将式 (4) 、式 (5) 得到的速度-时间函数分别添加到水平移动和竖直移动motion上, 运行完成后检测理想转轴空间位置随时间的变化情况, 如图8所示, 转轴位置最大只有0.32 mm的变化, 近似可认为始终不变, 完全满足设计要求。

5 结语

本文所研制的飞行器舱板装配翻转机械系统能够高效自动的完成装配任务, 各项参数满足设计要求, 机械结构合理可靠, 在很大程度上提高了装配效率、保证了装配精度和降低了操作人员劳动强度。

参考文献

[1]J.P.Womack, D.T.Jones, D.Roos.The Machine That Changed The World[M].USA:Macmillan, 1990:27-32.

[2]Г.A.克里沃夫.前苏联飞机制造技术[M].北京:北京航空工艺研究所, 1999:5-8.

[3]郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2008.6.

4.PBN飞行程序系统设计与应用 篇四

基于性能的导航 (PBN, Performance Based Navigation) 技术是基于卫星导航的先进技术, 目前供全球使用的卫星定位导肮系统有, 美国的GPS系统、俄罗斯的Glonass系统、欧洲的Galileo系统以及中国的北斗卫星导航系统, 其中只有GPS系统能够精准的进行导航定位并为全球民航提供正常的导航服务。PBN的应用和推广将在改善目前民航的经济性方面有显著的效果, 从而推动亏损的、发展缓慢甚至停滞的世界民用航天航空企业向盈利的、可持续快速发展的世界民用航天事业发展。PBN技术尤其是RNP技术的推广和应用必将成为推动世界民用航天向崭新的高度发展的重要技术标志, 将使我国从一个民航大国发展成为一个民航强国提供了技术保障以及机遇。PBN应用技术还具有提高民用航天安全性、运营效率、盈利能力和发展空间的明显优势。

1 PBN飞行系统程序设计

1.1 PBN程序设计规范

现行的PBN运行的技术核心是其GPS导航性能, 在设计范程中, 不同的PBN导航系统规范对应不同的导航设施;反之, 对于不同的民用航天航空设计规范, 则需PBN应用程序系统能够满足相应的运行要求。

PBN导航规范包括RNAV和RNP两类导航规范, 不同的PBN导航系统规范对应不同的导航设施, 这些要求主要体现在导航精度、应用完好性、过程连续性等方面。例如现行的的RNAV5导航规范, 其导航设施主要有VOR/DME, DME/DME, 工NS或工RS, GNSS, 而在复杂环境下, 在进近阶段运行的RNPAR导航规范, 进近阶段则只能使用GLASS导航规范, 并且要求其具备机载监视性能和警告提示功能。

RNAV、RNP导航运行规范均为区域导航运行模式, 在与传统导航方式相比较下, 区域导航具有运行效益高、航迹选择灵活、运行安全性提高、飞行员的工作负荷小、终端区容量提高、空域利用充分、终端区空域的使用效率提高、陆空通话频率低等优点。

1.2 PBN进近程序设计

PBN技术系统运行的核心, 是GPS卫星导航定位系统的应用。进近PBN程序主要包括两种程序规范, RNP APCH的通用程序和RNP ARAPCH专用程序。其中, RNP ARAPCH程序主要针对航空公司特定机型及机组进行特别授权的专用设计程序。

RNP ARAPCH程序依据其在进近阶段飞行的引导形的不同又分为非精密进近、精密进近和有垂直导航引导进近3种形式, 是一种通用的程序。

非精密进近程序是指在从最后进近定位点到最后进近航段的复飞点没有下滑引导趋势;精密进近程序主要是使用基于地面的增强系统, 如LAAS系统等使用机载计算机精确计算后建立一条精确的虚拟下滑道, 然后引导飞机执行精密进近动作, 提高机场区域范围内GNSS的定位精度。有垂直引导的航向台性能程序 (LPV) 是一种完全基于GPS卫星的进近导航方式。Baro-VNAV程序要求机载计算机根据给定的正常下滑角 (标准3°) 和GNSS确定的飞机距跑道入口的距离来计算出飞机应该的正确几何高度, 然后将该高度与气压式高度表得到的气压高度相比较, 从而判断出飞机相对正常的下滑线的高度。厦门高崎机场的PBN进近程序设计使用的就是Baro-VNAV的RNP APAPCH方式。

2 PBN飞行系统应用的优越性

2.1 PBN技术在航线运行的优越性

PBN与传统导航相比有明显不同, 只要是在基站的信号覆盖上, 使用PBN, 其导航航线点可以灵活选择。PBN航线上能够更加精确的引导航空器, 提高了飞行运行的安全性。

在充分利用PBN技术设计航线后, 可以缩短民航导航航线的实际飞行距离和飞行时间。从而可以直接降低飞机折旧率、油耗量、机组飞行排放率、运行成本等, 同时还可提高客运量、飞机周转率、运输效率以及社会效益和经济效益等综合效益。

对于平行航线、偏置航线、一线多道 (空中高速航线) 、近距离多编队机组飞行运输等, PBN技术在导航航线上的大量应用, 为其提供了可能性、技术保障和应用性。

2.2 航班延误大大降低

实施PBN后, 可以在保障机组客容量一定的前提下, 大大提升终端区的安全可靠性和灵活性;以往终端区拥塞问题常常导致航班延误和空中盘旋等待, 令人情绪低沉, 目前应用的PBN技术将大大减少此类情况的发生。既可以减少飞机折旧率、油耗量、机组飞行排放率、运行成本, 又可以提高旅客舒适度及满意度和航空发展效率。

2.3 解决特珠地域导航技术难题, 降低某些地区机场建设成本

应用PBN技术特别有利于解决偏远多山地区、高原地区、复杂地形区域、天气恶劣地区等的通航问题。PBN的推广和应用, 尤其是RNP AR的投入应用, 大幅度地降低了对地形、天气和导航设施的特殊要求与依赖, 从而可以在以前无法开辟或难以开辟运营航线的多山区域和高原区域开辟航线、建设机场, 减轻航空堵塞, 从而缓解空中交通问题。

例如, 我国玉树机场, 海拔高, 地形复杂, 实行PBN飞行程序后, 极大的增加了有效载荷, 玉树机场航空公司从以前亏损运营走向盈利之线, 为普通旅客提供了前所未有的方便。

2.4 PBN技术在终端区运行的优越性

由于终端区空域飞行密度大, 空间有限, 并且有大量的飞机穿越一定的相应高度层的情况等一系列特点, PBN技术整合相应的垂直导航引导进近技术, 大大地降低终端排序难度。通过PBN飞行程序系统设计, 可以在进近离场的一些必要的航线点上设定飞行器的坐标、速度, 然后根据不同航向限定不同的平行进离场程序, 并且使之正常运行。

3 PBN飞行系统实效运用

近年来, 中国民用航空航天事业加快了区域卫星GPS导航技术的研究和推广使用的步伐, 例如在我国西部地区地形复杂, 天气恶劣, 应用PBN技术成功新辟了基于RNP4的Y系航线, 这些航线成功地与已有的L888航线互为补充, 优化了我国西部地区航线结构。

2003年10月, 由于拉萨机场处地势海拔高、周边山多密集、地形复杂和天气情况复杂等原因, 我国民航局启动了拉萨/贡嘎机场PBN导航系统运行工作, 2005年川航成功试飞了由 Naverus公司设计的拉萨/贡嘎机场PBN进近程序。

2010年1月, 广州白云机场全面实施启动了过渡运行的RNAV1飞行程序。4月8日, 广州白云机场RNAV-1飞行程序全面顺利实施并成功投入运营。

2010年11月, 上海虹桥、浦东机场运行RNAV飞行程序, 通过一系列验证并成功试飞。

4 结语

通过PBN技术的成功投入民航使用, 并且推广应用, 从而民航局能够更灵活的对国内各民航业进行空域划分, 提高空域资源利用率;又可以通过增大航空空域总容量, 缓解或者解决空中交通拥堵等问题。PBN导航飞行程序技术相对于传统导航方式, 在基于性能导航的实施与应用层面具有很大的优点。应用并推广PBN技术, 可以明确确定运行要求, 精确定位, 更好的保证飞行安全, 减少成本投入和航空运输对环境的负面影响, 避免机载和地面设备的重复性安装, 在一定程度上提高运营效率。

摘要：PBN技术为民航运输特别是远程运输的蓬勃发展奠定了基础, 增强了民航盈利和滚动发展的能力, 为航空航天导航系统提供了先进的技术支持, 满足了航空运输可持续快速发展的要求。将着重阐述PBN技术以及PBN飞行程序系统进近程序设计特点, 然后依据PBN应用技术的发展现状, 说明了PBN飞行程序系统的实用性。

关键词：PBN,民航运输,飞行系统,进近程序,实用性

参考文献

[1]蒋维安, 向小军.展新钥匙[J].中国民用航空, 2011, (1) .

[2]张健, 李良.PBN技术的优越性及其在我国的应用现状[J].中国民用航空, 2011, (11) .

[3]郝亮.PBN运行飞行程序设计研究[B].电子科技大学, 2011, (12) .

[4]张光明, 张飞桥.导航性能对PBN运行的影响[J].Proceedings of the30th Chinese Control Conference, 2011, (7) .

[5]王小龙.拉萨高原机场PBN运行程序及信息管理程序设计[D].电子科技大学, 2010, (12) .

5.北航飞行器设计与工程 篇五

之所以选择本型号的飞机进行技术上的研究, 主要是因为该型号的飞机目前承担军事作战的任务, 对其飞行的安全性和稳定性提出了更高的要求。而该型号的飞机目前仍旧采用老旧的机械操作。机械操作的系统庞大, 占地面积大, 且手动操作的主观性较强, 操作技术水平与操作人员的经验和技能直接联系, 同时手动操作中难免会出现误差, 摩擦系数的存在也会影响操作的水平和精准性。这些都不利于军事作战。因此, 必须扭转现有的局势, 变手动操作系统为电传飞行控制系统, 提高机械操作的自动化和科学化。

2 电传飞行控制系统主要功能

通过具体的数据分析和研究, 基本上确定了该型号飞机的控制系统的主要功能:2.1提高飞机的性能;2.2扩大飞机的使用包线;2.3增强飞机的稳定性;2.4改善飞机的飞行品质, 使某型飞机主要的飞行品质满足GJB185标准1要求;2.5自动防尾旋和人工改尾旋;2.6机内自动检测功能, 包括飞行前自检测 (PBIT) , 上电自检测 (UP-BIT) 、飞行中自检测 (IFBIT) 和维修自检测 (MBIT) ;2.7辅助模态功能。

3 系统组成及余度确定

电传飞行控制系统由不同职能的各个硬件设施构成。对不同的硬件进行划分便于整体管理, 也能够保证各司其职, 提高操作系统的工作效率。根据本型号飞机的实际情况, 工作人员在设计之初, 将本型号飞机的控制系统的分系统具体分为飞控计算机分系统、伺服作动器分系统、传感分系统与控制显示分系统三大部分, 下面将逐一对每一个部分进行具体的数据和操作分析。

根据飞行控制系统的要求, 电传飞行控制系统必须满足故障-工作/故障-工作/故障-安全 (FO/FO/FS) 的容错能力要求和可靠性要求, 结合各子系统 (部件) 的作用和关键性确定各子系统的余度数和自检测要求。

4 分系统方案

4.1 飞控计算机

电传飞机控制系统的核心应用技术是飞控计算机, 通过飞控计算机的数据分析和程序预设, 最终实现飞机的自动化控制盒管理。结合本型号飞机的实际情况, 工作人员在进行系统设计时进行了多种方案的甄选, 最终确定将飞控计算机与伺服控制回路综合在一起, 采用3×2余度配置, 本系统需要三台计算机进行系统的连接, 因为进行了大胆的技术尝试, 同时又结合了国内外最先进的飞机控制技术, 所以这套设计方案是比较科学相对合理的, 具有可操作性。

每台计算机有两个通道:

工作通道:根据输入信号计算机控制面偏转指令, 并且驱动相应的控制面;包括CPU模块、输入输出控制模块、总线模块、伺服回路模块与电源模块等。

监控通道:用于检测计算机指令的正确性;包括CPU模块、输入输出控制模块、总线模块与电源模块等。

4.2 作动器

升降舵、副翼和方向舵均采用电液伺服作动器, 电液伺服作动器具有故障监控功能和旁通功能, 在故障失效后自动转入旁通功能, 不影响其它作动器工作。单个舵面所有电液伺服作动器均失效后, 转入旁通功能, 保持一定的阻尼, 该舵面处于阻尼浮动状态。

4.2.1 升降舵作动器

每个升降舵面采用2台台电液伺服作动器并联安装, 同步工作, 具有力均衡功能。每台电液伺服作动器具有单独控制单个升降舵面的能力, 左右两个升降舵面共采用4个电液伺服作动器, 需3套液压系统提供动力, 升降舵作动器接受飞控计算机指令, 控制升降舵偏转。

4.2.2 副翼作动器

每个副翼采用2台电液伺服作动器并联安装, 同步工作, 具有力均衡功能。每台电液伺服作动器具有单独控制单个副翼的能力, 左右两个副翼共采用4个电液伺服作动器, 需3套液压系统提供动力, 副翼作动器接受飞控计算机指令, 控制副翼偏转。

4.2.3 方向舵作动器

在方向舵上并联安装3台电传控制的电液伺服作动器, 同步工作, 具有力均衡功能。方向舵作动器接受飞控计算机指令, 控制方向舵偏转, 实现对飞机航向控制, 需3套液压系统提供动力。

4.3 传感分系统

传感器分系统负责所有的数据传输和接收, 是整个系统的关键组成部分。一方面需要及时接收信息, 另一方面还要对接收到的信息进行筛选和分类, 最终利用具有关联性的安全信息, 具体包括驾驶员指令传感器、飞行运动传感器和大气数据传感器三个部分。

驾驶员指令传感器顾名思义, 就是将操作人员的操作数据和操作动作, 以数据的形式传输给计算机装置;飞机运动传感器将飞机在运动过程中的所有动态数据进行敏感处理和数据传送;所有的数据最终通过大气数据传感器统一进行汇总和分析。需要进行强调的是, 为了保证飞机运行的安全和信号的稳定, 以上三种数据传输工作不能应用飞机上的航电总线, 需要安装独立的信号传输线。确保所有数据的可靠性。

4.4 控制显示分系统

控制显示系统是操作人员进行飞机控制的主要参考数据来源, 操作人员需要根据显示的数据采用相应的操作程序。显示的信息量大, 信息复杂, 主要包括几下几种重要的数据: (1) 人工进行系统控制的程序指示数据, 主要包括提醒操作人员进行系统切换的信息和操作人员进行不同模式转换的信息等; (2) 系统运行的安全性显示。包括系统常规运行下的各项数据, 以及系统运行出现故障时发出的警示信息以及相应应急自动处理信息; (3) 系统定期检测和维护的信息。电传控制系统需要定期进行维护和保养, 显示系统会根据设定好的程序提醒操作人员进行相应的操作和管理。

5 控制律设计概略

电传飞行控制系统实现了驾驶员操纵指令 (杆位移或杆力) 与飞机运动参量响应相对应的控制, 从而使飞行控制“目标”由原机械操纵系统的舵面偏角操纵, 变成了对飞机响应的控制。作为某型飞机电传飞行系统控制模态包括基本模态和自动飞行控制模态。基本模态包括主控制模态、独立备份模态及主动控制功能;其中主控制模态与独立备份模态是系统必须具备的两个基本控制模态。主控制模态包括控制增稳、中性速度稳定性、飞行参数 (法向过载, 迎角限制和滚转速率等) 边界限制与惯性耦合抑制等功能;其中控制增稳功能是电传飞行控制系统最基本的工作模态, 在整个飞行包括内全时、全权应用。独立备份模态是电传飞行控制系统的备份模态, 是独立于所有的其他控制律模态的应急工作模态。

6 结束语

综上所述, 传统的手动操作控制系统存在诸多问题, 不能符合当前飞机运行的精准性和安全性, 尤其是不能满足战斗飞机的作战需求, 因此进行控制系统的电传化改革是一种必然的趋势。通过文章中技术的分析, 能够意识到, 电传飞行控制系统采用机械化的操作原理和设备, 提高了操作的精准性、及时性、可靠性。随着未来飞机技术的不断完善, 电传飞机控制系统也需要进一步加深研究和分析, 以便更好地提高我国航空航天的技术水平。

参考文献

[1]孙全艳.大型客机电传飞控系统软件开发应用研究[J].民用飞机设计与研究, 2009 (02) .

6.北航飞行器设计与工程 篇六

近年来,果蔬采摘机器人逐渐成为农业机器人领域研发的热点,末端执行器作为采摘机器人的核心技术之一,世界许多国家针对不同果实开发了相应的末端执行器[1,2,3,4,5,6,7,8,9],取得了较多成果。同时,也共同面对诸多问题需要更好的解决方案,如在保证自动化采摘效率和成功率的同时降低成本和传感控制及驱动系统的复杂性,以推进采摘机器人的商业化和实用化进程;提高通用性,使一种末端执行器能采摘多种果实。

本文基于以上问题考虑,提出了一种球状果实采摘机器人末端执行器,整体结构由Pro/E进行三维建模表达,利用ADAMS仿真软件对末端执行器采摘方案进行运动仿真分析,验证了方案的可行性。

1 采摘方案分析

实现果实的采摘,关键一步是要可靠快速无损伤完成果实与植株的分离,即将相应的果柄打断。完成此目标任务可以有以下几种方式:①抓牢果实后,模仿人采摘时手腕的掰拧动作将果柄拧断;②用微型电锯将果柄割断;③抓紧果实后,利用一定速度的刀片将果柄砍断;④判断果柄位置,利用剪刀将果柄剪断;⑤夹住果实后,用激光将果柄烧断。

这几种方案中,其中第1种方案对于柔韧果柄和枝条的情况采摘成功率低;第2～5种方案对于打断果柄成功率高,但前提是首先要将目标果实抓牢,然后通过检测果柄相对于末端执行器的方位使刀片等能够准确将果柄打断;或者调整机械臂使末端执行器只能在特定采摘姿态下抓牢果实,保证果柄与末端执行器的相对方位确定,刀片等即可按既定动作将果柄打断。

经过分析得出以下结论:一是无论以上哪种采摘方案,都需要抓牢果实,但果实因种类和成熟度不同其果皮的软硬程度也不同,所以要保证抓牢又要避免过程中出现松动或者挤碎果实的情况就要添加压力传感器,对抓取力进行控制,这样就增加了末端执行器的成本及控制系统的设计难度和复杂性。二是当抓牢后,检测果柄与末端执行器的方位也需要增加相应的视觉传感器或者位置传感器,同时刀片也要有足够的灵活度,能够根据果柄的不同相对方位去接近果柄将其打断,这样也增加了控制系统的复杂性和成本,会使得机械结构变得繁冗复杂。如果通过特定的姿态采摘水果,无疑降低了整体机器人的避障能力。

所以本文提出的末端执行器的设计目标为:采摘过程果不需要抓牢果实,不需检测果柄位置,也不限定采摘姿态,同时保证结构紧凑简明,具有较高的采摘成功率和效率,具有良好的通用性。

2 采摘方案实现

基于前述的分析,确定设计目标后,基于Pro/E设计开发了一种球状果实采摘机器人末端执行器(如图1所示),该末端执行器主要由步进电机、双作用伸缩气缸、四指开合机构和弧形刀片等几大部分组成。其中,步进电机通过联轴器可带动其余部件与电机轴同步转动,为弧形刀片旋转切割果柄提供动力;双作用气缸由其活塞杆驱动四指开合机构动作,将目标果实包围,其中弧形刀片焊接于弧形四指内侧,并在刀片内侧粘有一定厚度的海绵层,防止采摘过程中果皮与刀片直接接触。

1.手指及弧形刀片 2.四指开合机构 3.双作用气缸 4.联轴器 5.机械臂连接件 6.步进电机

2.1 四指开合的实现

2.1.1 手指数量的确定

本末端执行器具有4个手指,从理论上讲,末端执行器的手指越多其抓牢果实的可靠性就越高。但本末端执行器的手指是将果实包围,而不是将果实抓牢,设计的4个手指可以保证其4指合拢后的球状包围空间稍大于果实尺寸,从而手指可以相对果实进行相对转动,实现对果柄的旋转切割打断,同时保证果实在放入收集装置之前不会从合拢的指缝中漏下。

2.1.2 四指开合机构设计

四指开合机构如图2所示。在设计的四指开合机构中,气缸活塞杆与顶拉板通过螺钉固联,顶拉板的4个方向上分别铰接弧形的手指。同时每一个手指的一端铰接连杆,每根连杆又分别铰接机架板,而机架板与气缸通过螺钉固联。这样当气缸活塞杆进行伸缩时,4个弧形手指会做相应的展开和合拢动作。

设计的4个弧形手指合拢时是将果实包围而不是将果实包夹住,这样可以省掉了对夹持果实力的控制。海绵层在弧形刀片的内侧,用于隔挡弧形刀片与果实接触,防止弧形刀片旋转时误伤果实。

2.2 四指旋转切割果柄的实现

弧形四指的合拢将目标果实包围其中,末端执行器下一步的任务就是要将果柄割断。此时,果柄相对于末端执行器的方位有较大的随机性,设计弧形刀片拟合弧形手指的内廓表面形状,焊接在每一个弧形手指的内廓表面上,长度与手指相当;步进电机启动后带动四指绕对称轴转动,弧形刀片即可以旋转割断任意方位的果柄。

1.铰接轴 2.活塞杆 3.弧形刀片 4.海绵层 5.螺钉 6.顶拉板 7.手指 8.连杆 9.机架板

3 ADAMS运动仿真分析

为了进一步说明本末端执行器的采摘动作原理和整机制造之前能够初步检验结构方案的合理性,本文利用大型动态仿真软件ADAMS对末端执行器采摘动作进行了全过程的仿真。果实进入末端执行器内部如图3所示。首先通过Pro/E与ADAMS的接口软件Mechanism/Pro将末端执行器三维模型中构件生成刚体,添加约束后导入ADAMS中,在ADAMS中添加末端执行器气缸活塞驱动力和步进电机转速,同时设置采摘仿真时间、步数及重力条件,在其中的一个指尖处添加标记点“MARKER_132”,如图3中球状体代表果实。

按照实际的采摘方案,动作全过程仿真分为4步:

1)末端执行器接近果实,果实进入四指内部。机器人通过视觉传感系统采集目标果实形心三维坐标,信息通过工控机处理机器人运动学反解结果得到机器人各关节的驱动量,从而机械臂带动末端执行器逼近目标果实。为保证果实可以顺利通过进入四指内部,需注意两点:①此过程需要末端执行器四指保持张开状态,并且开口尺寸至少要大于果实的尺寸;②为提高果实进入的成功率,末端执行器的采摘移动路径的末段最好是直线,且径直对准果实。

在ADAMS/view 的animation controls中勾选superimpose选项,得到此段仿真的断续动作画面如图3所示。从图3可以看到,在满足以上两点的情况下,果实顺利进入了四指的内部。

2)四指合拢,包围果实。选用小型静音气泵作为开合机构气缸的气源,经减压阀出来的气体工作压力为3bar,通过气缸结构换算得到活塞杆驱动力约为20N,在ADAMS中添加此力后,同时设置四指关系为接触。

从仿真动画和标记点“MARKER_132”的位移数据曲线(如图4所示)中,可以观察到:四指合拢需要0.424 3s,在0.178 6s四指指尖初次相碰,相互短暂弹开后再相碰,反复几次后在0.424 3s后,四指合拢保持稳定,如图5所示。

在实际的采摘作业中,四指指尖的此种硬碰撞会发出尖锐的响声,同时会产生不必要的振动,为避免此种情况的发生,可以在指尖处嵌入弹性材料,如海绵或橡胶,以此可对碰撞起到缓冲的作用。

3)四指保持合拢,电机启动,弧形刀片旋转切割果柄。此时,果实已经被包围在了合拢四指的内部,果实靠果柄悬挂在四指中间,而果柄必定位于其中两手指之间。所以,启动电机后,四指旋转,其上的弧形刀片随之切断果柄,这个过程四指保持合拢,果实仍落在四指内部。

在ADAMS中对电机轴添加驱动阶跃驱动函数:“step(time,0,0,1,720d)”,即电机在1s的时间内旋转2圈,下次切割反转2圈,以此防止旋转的过程气缸气管发生过度缠绕,如图6所示。

4)四指保持合拢,末端执行器退到果实收集装置上方后,四指张开,落下果实。

在ADAMS中的animation controls中选择“Trace Maker”选项,跟踪点为“MARKER_132”,末端执行器动作路径如图7所示。

经过对每一采摘步骤的详细仿真,分析得出,本末端执行器完成打断果柄时间基本可以控制在1.5s以内,整个过程动作可靠,初步验证了采摘方案的可行性。

4 结论

从结构设计的原理和仿真分析的过程来看,本末端执行器具有以下优点:

1)采摘作业无需控制抓取力,从而省掉了相应的传感器控制系统的加入,也就在一定程度上降低了成本和整机操作的控制难度和复杂性。

2)手指不与果实产生夹持力,从而避免了果皮受夹持力的误损伤,从而可采摘软硬程度不同的球状果实,提高了末端执行器的通用性。

3)弧形刀片的旋转切割可将两刀片之间任意相对位置的果柄打断,即无需检测果柄与末端执行器的相对方位。

当然,本设计也存在一些不足,如对于成束生长的果实,如西红柿、葡萄的采摘还存在局限性,有待进一步改进和开发。

摘要：为了实现球状果实的自动化采摘,设计了一种能够完成多种球状果实采摘的机器人末端执行器。其具有无需检测与果实的接触力和无需检测果柄与末端执行器的相对方位的突出优点,大大降低了机器人末端执行器的控制和操作难度,降低了制造成本,可采摘软硬程度不同的球状果实,具有较强的通用性。该机器人末端执行器整体结构由Pro/E进行三维建模,利用ADAMS仿真软件对其采摘方案进行运动仿真和分析,验证了方案的可行性。

关键词：果实,末端执行器,采摘,切割,仿真

参考文献

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