多旋翼火灾救援无人机的机械系统结构设计毕业设计开题报告

合肥学院机械工程系毕业设计（论文）文件 合 肥 学 院 机 械 工 程 系毕业设计(论文)开题报告题目：多旋翼火灾救援无人机的机械系统结构设计专业：机械设计制造及自动化年级：13机制1班姓名： 学号：1指导教师： 王学军 职称： 副教授 年 月 日毕业设计（论文）开题报告本课题的目的意义（研究性课题应阐明国内外研究概况）一、无人机定义及其分类（一）无人机是什么？无人机是无人驾驶飞机的简称（Unmanned Aerial Vehicle），是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置的不载人飞机，包括无人直升机、固定翼机、多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机。广义地看也包括临近空间飞行器（20-100公里空域），如平流层飞艇、高空气球、太阳能无人机等。从某种角度来看，无人机可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行任务和各种负载任务，可以被看做是“空中机器人”。（二）无人机分类1、按照不同平台构型来分类，无人机可主要有固定翼无人机、无人直升机和多旋翼无人机三大平台，其它小种类无人机平台还包括伞翼无人机、扑翼无人机和无人飞船等。固定翼无人机是军用和多数民用无人机的主流平台，最大特点是飞行速度较快；无人直升机是灵活性最强的无人机平台，可以原地垂直起飞和悬停；多旋翼（多轴）无人机是消费级和部分民用用途的首选平台，灵活性介于固定翼和直升机中间（起降需要推力），但操纵简单、成本较低。2、按不同使用领域来划分，无人机可分为军用、民用和消费级三大类，对于无人机的性能要求各有偏重：（1）军用无人机对于灵敏度、飞行高度速度、智能化等有着更高的要求，是技术水平最高的无人机，包括侦察、诱饵、电子对抗、通信中继、靶机和无人战斗机等机型；（2）民用无人机一般对于速度、升限和航程等要求都较低，但对于人员操作培训、综合成本有较高的要求，因此需要形成成熟的产业链提供尽可能低廉的零部件和支持服务，目前来看民用无人机最大的市场在于政府公共服务的提供，如警用、消防、气象等，占到总需求的约70%，而我们认为未来无人机潜力最大的市场可能就在民用，新增市场需求可能出现在农业植保、货物速度、空中无线网络、数据获取等领域；（3）消费级无人机一般采用成本较低的多旋翼平台，用于航拍、游戏等休闲用途。二、无人机发展的技术难点（一）飞控系统飞控子系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统，飞控对于无人机相当于驾驶员对于有人机的作用，我们认为是无人机最核心的技术之一。飞控一般包括传感器、机载计算机和伺服作动设备三大部分，实现的功能主要有无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理和应急控制三大类。其中，机身大量装配的各种传感器（包括角速率、姿态、位置、加速度、高度和空速等）是飞控系统的基础，是保证飞机控制精度的关键，在不同飞行环境下、不同用途的无人机对传感器的配置要求也不同。未来对无人机态势感知、战场上识别敌我、防区外交战能力等方面的需求，要求无人机传感器具有更高的探测精度、更高的分辨率，因此国外无人机传感器中大量应用了超光谱成像、合成孔径雷达、超高频穿透等新技术。（二）导航系统导航系统向无人机提供参考坐标系的位置、速度、飞行姿态，引导无人机按照指定航线飞行，相当于有人机系统中的领航员。无人机载导航系统主要分非自主（GPS等）和自主（惯性制导）两种，但分别有易受干扰和误差积累增大的缺点，而未来无人机的发展要求障碍回避、物资或武器投放、自动进场着陆等功能，需要高精度、高可靠性、高抗干扰性能，因此多种导航技术结合的“惯性+多传感器+GPS+光电导航系统”将是未来发展的方向。（三）动力系统不同用途的无人机对动力装置的要求不同，但都希望发动机体积小、成本低、工作可靠：1、无人机目前广泛采用的动力装置为活塞式发动机，但活塞式只适用于低速低空小型无人机；2、对于一次性使用的靶机、自杀式无人机或导弹，要求推重比高但寿命可以短（1-2h），一般使用涡喷式发动机；3、低空无人直升机一般使用涡轴发动机，高空长航时的大型无人机一般使用涡扇发动机（美国全球鹰重达12t）；4、消费级微型无人机（多旋翼）一般使用电池驱动的电动机，起飞质量不到100克、续航时间小于一小时。往前看，我们认为随着涡轮发动机推重比、寿命不断提高、油耗降低，涡轮将取代活塞成为无人机的主力动力机型，太阳能、氢能等新能源电动机也有望为小型无人机提供更持久的生存力。（四）数据链数据链传输系统是无人机的重要技术组成，负责完成对无人机遥控、遥测、跟踪定位和传感器传输，上行数据链实现对无人机遥控、下行数据链执行遥测、数据传输功能。普通无人机大多采用定制视距数据链，而中高空、长航时无人机则都会采用视距和超视距卫通数据链。现代数据链技术的发展推动者无人机数据链向着高速、宽带、保密、抗干扰的方向发展，无人机实用化能力将越来越强。往前看，随着机载传感器、定位的精细程度和执行任务的复杂程度不断上升，对数据链的贷款提出了很强的要求，未来随着机载高速处理器的突飞猛进，预计几年后现有射频数据链的传输速率将翻倍，未来在全天候要求低的领域可能还将出现激光通讯方式。3、 国内外无人机发展（1） 国外无人机发展现状2009年以来，美国持续促进无人机创新发展并实现首次大规模商用。商业经营者可根据需求选择不同尺寸及功能的无人机。这些无人机大多携带方便，用手机或平板电脑就能直接操作。在符合一系列操作和安全规定的前提下，无人机可用作商业、科学、公共事业和教育目的。航空科技革命已开始，并将逐渐转变我们收集信息、提升科学精准度、推广产品、保护公共健康的能力。短期内，无人机将为以下领域带来重大变化：1.农业领域：农场主可运用无人机实时监控种植物的健康状况，无人机将降低农用飞机事故死亡率，高质量数据的收集也将会带来更好的收成。2.基础设施监控领域：用无人机监控手机信号塔、大桥、管道、电气线路和石油钻塔，免去了人工监控的潜在生命危险，工人可更安全地监控信号塔等基础设施。3.科学研究领域：科学家与工程师能运用无人机进行更有效的环境监测，对美国的自然资源、荒地和航道进行监管。据业内估计，未来10年内，商用无人机将为美国带来820亿元收入并创造10万个工作机会。（2） 国内无人机发展现状随着今年国家的各项政策决议，无人机航拍、遥感市场将在未来几年迎来跨越式发展的新契机。低端航拍无人机的应用，远不止航空拍摄、航空摄影、航拍这么一点，我所接触过有明确需求的航拍用户，有固定翼航拍的森林防火、地震调查、核辐射探测、边境巡逻、应急救灾、农作物估产、管道巡检、保护区野生动物监测、军事侦察、搭载航拍电子设备进行科研试验、海事侦察、保钓活动等方面的航拍应用需求，还有我听说但却未直接接触的需求，包括固定翼航拍的环境监测、大气取样、增雨、资源勘探、禁毒，直升机航拍的反恐、消防航拍侦察等。 无人机航拍将大显身手 不同的无人机应用，对飞机系统的各项指标各不相同，比如森林防火要求航时长，应急救灾要求抗风能力强，科研试验要求载重大，军事侦察要求展开时间短5分钟内就能起飞，边境巡逻要求长航时加高海拔（油机达不到），地震调查要求机动性强，运输方便，不挑起降场地、易操作，保钓要求抗风能力强、航时远、成本低而航拍要求姿态、定高的精确度、发动机的可靠性。 国内工业部门（包括院所和航空、航天集团公司）研制的无人机技术高于民营企业，但无人机在我国毕竟首要用于军事用途，所以高空、高速、中远程、长航时、大载荷等类型的无人机都应用于军事领域，几乎全部是由航空集团、航天集团以及院校研制与生产，主要是应付军队的需求，任务十分饱满，所以才无瑕顾及民用领域。但随着国家信息化建设，地球信息技术产业发展，民用无人机市场会逐渐得到重视，除了国内工业部门（包括院所和航空、航天集团公司）以外，更需要民营企业研发生产性价比更高的，满足市场需求的民用无人机。从而把成本拉下来，应用推上去。这是一个趋势。目前民用无人机航拍的缺点：市场不够规范，需要技术投入 虽然院所、航空集团在逐渐往低端靠，但无人机行业前景相当广阔，据称是“预计今后10年内民用无人机市场的销售额可达10亿美元。无论是军用还是民用，无人机都将朝着模块化、标准化、多样化和系列化的趋势发展，其应用范围广泛，前景喜人。”院所、航空集团的最大缺点，就是体制上的问题（有的已经在股份制了，所以更要有危机感），导致成本惊人。 很多人总认为现在是市场不成熟，没有需求，所以技术没有人去研发，而我看来是恰恰相反。无人机厂家要用户懂一点专业知识是可以的，通过培训可以解决，但你要求用户要经过好几年去积累飞行经验，并且一个闪失就摔飞机的话，市场绝对是做不起来的。所以大家别只抱怨，技术不成熟也是市场不成熟的一个很大原因。就像手机市场，技术成熟后市场自然就起来了。其实技术不成熟也是很正常的事，大家是普遍把无人机想简单了，要搞出一个无人机，使之能飞起来进行演示，并不是非常困难，但要真正做到性能优良，满足实用要求则是一件非常困难的事情，不可等闲视之。想想无人机研制涉及的多个技术领域吧：1、飞行器总体设计；2、空气动力学；3、材料与结构；4、动力推进；5、导航与控制；6、机载设备；7、信息处理与传输；8、发射与回收；9、隐身技术；10、微加工制造；11、系统集成与运行管理；12、地面测试与飞行实验等。 因此这一问题不仅与材料、元器件、设备、微制造技术有关，而且与优化设计和综合集成能力等多方面因素有关，是需要长期努力加以解决的。所以核心技术和门槛，绝不只是能“设计”并试飞验证几款概念飞机，不只是熟练的飞行团队，不只是飞控，因为以上几个要素，是在目前的市场下可以用少量资金轻松换来的。民用无人机航拍门槛不高，一是要降低成本，二是要降低对控制人员的依赖程度 无人机扩大民用领域应用所面临的关键问题之一，是要搞“用得起的装备”，“开得动的装备”，用得起，就是低成本，一架飞机要卖一台BMW的钱，推广必然受限制，因此机体要降低成本，飞控也要降低成本；开得动，就是操作简便易用，无需三年五年的学习培训，最好就是做到全自动弹射起飞、全自动伞降，把人的因素降到最低。不然用户三天两头得依赖于厂家，动不动就摔飞机，哪还能实用。 但无人机飞控毕竟是一个技术性比较高的活，需要参加一定的培训更要具备一定的实际操作经验。 无人机航拍需要领头羊制定标准，产业需要整合 同时，这个行业也有特定的风险。现在从事无人机的单位大大小小好几百家，很可能会进行行业内的大洗牌，我觉得民营公司很可能会败下阵来，最后行业被股份制的有政府、航空技术背景的企业垄断。而且理论上说离地就要报批，政策上的风险也很难预计，甚至还可能划定研发和生产资质，这点民营公司没有优势。我们即将看到，无人机航拍市场，即将出现政策性洗牌或者市场性洗牌。到时候，标准和规范会扼杀一大批所谓的航拍企业，存留两三家垄断性专营企业，没准会像通信行业的移动联通一样，也未尝不可能。但是件好事。本课题的主要内容、重点解决的问题，完成任务可能思路和方案。1、 主要内容针对多旋翼火灾救援无人机，进行机械系统方案的优选，并且进行关键结构和尺寸设计，主要完成以下任务：(1) 查询、学习、总结多旋翼救援无人机文献，了解救援无人机的功能、结构及性能参数；(2) 根据参数，优选多旋翼救援无人机方案，并设计整体布局；(3) 根据相关文献，在受力分析的基础上，应用Excel或ANSYS软件计算，设计联接导轨、机架、救援模块、发射机构、折叠杆等关键零部件；用UG或Pro/e建模，并形成工程图。2、 重点解决问题1 多旋翼火灾救援无人机的无刷电机与桨叶选择：电机需要提供足够的升力，来平衡重力和无人机在载重上升过程中需要克服的上升加速度产生的力；同时需要选择合适尺寸和材料的桨叶，在满足升力的条件下，桨叶的结构强度符合要求。2 多旋翼火灾救援无人机的起落架的设计：当无人机在失速下坠的时候，起落架的结构强度可以保障云台和无人机安全着陆，需要起落架的材料韧性足够，且结构应力尽可能的减小。3 多旋翼火灾救援无人机的云台和机身的连接：要求衔接机构能够实现快速衔接和固定，并且在上升达到最大拉力的时候，结构依然稳定，选择材料时要考虑到结构的重量和强度。4 多旋翼火灾救援无人机的云台：模块化设计云台，云台可以满足大多数条件，甚至是部分极端条件下运转。3、 思路和方案1 无刷电机和桨叶的选择需要参考部分文献进行选择，桨叶的通用性、电机的普遍性需要参考市场上的结构进行考虑。2 起落架的设计需要有足够的减震性。所以材料不能选择刚性材料，必要的时候可以加上弹簧或者加强筋来提高减震强度和结构强度。3 云台和机身的衔接机构可以参考皮卡汀尼导轨的结构以及德式炮栓的结构，重点是结构能否满足负载要求。同时衔接机构还会承受横向的冲击。4 云台的模块化设计重点在拼接机构，拼接简单且结构强度足够，同时，在多种条件下都可以工作。本课题欲达到的目的或预期研究的结果目的：1.熟练地操作ANSYS进行结构分析，模态分析。2.复习大学期间学习的机械设计和工程力学，并更胜深入的学习。3.初步了解消防无人机的应用、结构、设计。预期结果：1.运用ANSYS对必要的机构进行应力分析，模态分析。2.回顾并强化所学知识，运用所学知识初步了解消防无人机的运作。计 划 进 度周 次工 作 内 容备 注2016-2017-2第1-2周开题报告：2016-2017-2第3-4周相关背景调研：通过调研、阅