航空宇航工程孙安斌开题报告.docx

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航空宇航工程孙安斌开题报告

中北大学

毕业设计开题报告

学生姓名：

孙安斌

学号：

30

学院、系：

机电工程学院航空宇航工程系

专业：

飞行器制造工程

设计题目：

直升机的反求设计

指导教师:

刘彦臣

2008年3月7日

毕业设计开题报告

1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：

文献综述

一、课题研究的目的和意义

无人飞行器（UnmannedAerialVehicle,UAV）简称无人机，是指飞机上没有驾驶员，飞机自主飞行，其飞行状态、线路等由无线遥控或自身程序控制，在大气层中利用空气动力承载飞行，并可重复使用的一类飞行器[1]。

无人直升机是无人机系列的一个重要分支。

它以其准确、灵便、高效的侦察、干扰、欺骗、校射及在非正规条件下作战，在现代战争中发挥着独特的作用，对未来的军事斗争造成较为深远的影响[2.3.4]。

在民用上也受到愈来愈多的重视，它的高灵敏性、高准确性使其在复杂地形测绘、农林播种/喷药、城市交通监控等方面都有广泛的用途。

无人直升机按照外形尺寸可以将其分为：

普通（≥300cm）、小型（100-300cm）、超小型（15-100cm）及微型（≤15cm）[5]。

小型无人直升机由于其更加小巧的体积，能在恶劣、狭小、复杂的环境中作业，因而具有固定翼飞机所无可比拟的优势，它的应用领域已从单纯的军事领域扩展至民用领域，其应用有着巨大的发展前景。

国际上众多研究机构已经对小型无人直升机进行了多年的研究[6]。

2000年，南京航空航天大学开始研制无人驾驶直升机，掀起了国内对无人驾驶直升机的研究热潮，越来越多的高校和研究机构开始关注并参与到微小型无人直升机的研究中[7]。

但是由于种种原因，与国际先进水平相比，我国对小型无人直升机相关领域的研究依然处于落后位置。

我们要清醒地认识到，在世界范围内、美国、欧盟、日本、以色列等国家和地区的无人直升机处于世界前列，我国和他们相比依然存在比较大的差距[8]。

综上所述，我们发现：

第一、自主飞行的小型无人直升机具有广阔的军事和民用前景；第二、我国在小型无人直升机领域仍然和发达国家有比较大的差距。

因此，开展小型无人直升机的研究，对我国具有重大意义。

而在当代国际竞争日益激烈的情况下，对每一个国家来说，独立地进行科学研究和技术开发，形成符合国情的技术体系，都是非常重要的。

但是，我们必须看到，现代科学技术已经渗透到社会生活的各个领域，没有一个国家可以完全不依赖其它国家的先进技术而包打天下，有不少资料表明，不少国家70%以上的技术都来自国外，发展中国家更是如此。

激烈的国际竞争中，要迅速及时的掌握国外的大量的先进技术，了解对手的水平和动向，除了进行“技术间谍”活动外，正常的途径便是借助于反求工程[9]。

本研究课题就是以同类型遥控直升机产品的实物样品为起点,进行反推性的研究。

首先对遥控直升机产品进行性能测试、结构分析,然后进行分解研究,之后根据分析结果构件无人直升机零件的设计图纸和CAD模型[9.10.11.12]。

再基于CATIAV5R17、ADAMS2005、FLUENT等强大的工程软件平台[13.14.15]，完成各直升机各个零件的虚拟装配[16.17.18.19]，建立功能虚拟样机[20.21]，建立适当的坐标和数学模型，对直升机的旋翼和尾翼的扭矩动态平衡关系进行研究[22.23.24.25.26]，最终实现该遥控直升机的整个虚拟产品的开发。

通过本课题的研究，能够掌握反求工程在微型无人直升机产品开发与制造过程中的应用，利用先进的虚拟装配技术，完成GuLang-450遥控直升机的反求和装配工作。

探究由国内外先进无人直升机实物到掌握该产品技术并进行自主设计研发的快捷节省方法。

从而，能够迅速了解国外先进无人直升机的设计思想，吸收并改进先进无人直升机技术，缩短无人直升机的开发周期。

此外，目前开展微型无人直升机的研究都是基于商用的遥控模型直升机，根据系统需要进行改装而成。

而通过该飞行器的反求设计可以研究和改善直升机的平衡特性、稳定性和操纵性，从而可以为研制出适应不同飞行任务需要的不同型号微型无人直升机打下基础[26]。

二、国内外研究现状

无人直升机具有无人机与直升机的共同优点，具有特别的飞行能力，比如能垂直起降、空中悬停、前后左右任意方向飞行等，可以完成固定翼无人机所不能完成的任务[4]。

因此很多研究机构选用直升机作为微小型无人机的研究平台，此外，微型无人直升机还被广泛用作空中机器人研究平台[27]。

同时源于这项技术在控制等领域的挑战性，因此微型无人直升机受到越来越多政府和研究机构的重视。

国际上众多研究机构已经对小型无人直升机进行了多年的研究。

MIT已在这方面进行了多年的研究，取得了很好的成绩。

2002年，MIT首次实现了微小型直升机自动翻滚飞行。

UC-Berkeley从1996年开始从事微小型无人直升机的研究，2003年已成功实现了微小型无人直升机的自主飞行、悬停、避障和降落，并率先实现了5架微小型无人直升机动态避障路径规划飞行。

乔治亚理工学院（GIT）早在1992年就进行了微小型无人直升机的研究。

德国柏林工业大学微小型无人直升机研究小组是2000年IARC冠军，其成立的无人飞行器研究所承担的MARVIN项目组属于欧盟“彗星”项目的一部份，主要侧重于不同类型无人飞行器之间的自主协作飞行。

除了上述机构外，国外还有很多研究机构长期从事微小型无人直升机的研究工作。

例如美国的斯坦福大学、卡内基梅隆大学、南加州理工大学、加拿大的滑铁卢大学、瑞士的ETH、澳大利亚的CSIRO等。

随着国际上对小型无人直升机研究的不断深入，国内很多高校和研究机构也相继投入到微小型无人直升机的研究之中。

2000年，南京航空航天大学开始研制无人驾驶直升机，掀起了国内对无人驾驶直升机的研究热潮，越来越多的高校和研究机构开始关注并参与到微小型无人直升机的研究中。

中国北京航空航天大学都开发了共轴式超小型无人驾驶直升机系统，并在2000年的珠海航空航天展上进行了展示。

2008年1月27日,我国首架全称为“WD100型”无直升机全权限自主试飞获得圆满成功，承担“WD100型”无人直升机研制的鹤壁鹤翔航空技术有限公司的科技人员,历经两年的艰辛攻关,在国内首创并突破了无人直升机全权限自主飞行的一系列关键技术[28]。

三、无人机发展趋势

虽然许多国家或研究机构都将微型无人直升机视为战略性技术而投入巨大资源开展研发，但就目前的现状而言，其性能与人类的期望本身仍然存在着巨大的差距。

许多关键技术仍然亟待突破和发展，如需要通过材料技术的发展来建造更轻、更强的本体结构，需要通过新的原理提供航时更长、容量更高的高密度能源，需要通过新的突破来装备具有更大推动比，更抗疲劳的高效发动机等技术。

除此之外，从信息和控制角度作者建议应当着重开展以下4项前沿性关键技术研究[26]。

1、状态测量与控制技术

这是机器人研究领域中的一个普适性内容。

但对于无人直升机来说，它则显得更为关键。

从需要测量的状态来看，最突出的要素是微型无人直升机飞行过程中的位置信息和姿态信息。

由于无人机在某一项任务的飞行中，有可能从空旷的空间进入诸如隧道或房屋等室内环境，所以，简单地借助于GPS技术解决的可能性不大。

惯性技术对于这个问题的解决可能是一个途径。

但由于微型化后发散性方面的制约，可能还须采取辅助的手段。

其中磁测方式可能会有所帮助。

在IMCAS系统中，就曾采用三轴的磁测技术获得了无人机的姿态角信息。

但对于位置信息而言，目前还无法找到更有效的方法。

或许，在任务区域附近通过布撒若干自身位置精准的时标发射器，构成局域GPS信息，有可能取得进展。

与状态测量相比，对无人机的控制也是一个很值得研究的问题。

一方面无论怎样设计，无人机飞行中的12个状态变量都会呈现出强耦合，同时面临的干扰和期望状态的变化又都很大。

这就要求机上的控制环路更快、适应性更强，从而也对这类特定非线性系统的有效算法提出挑战。

2、导航与制导技术

这是与前一个关键技术既有联系又有区别的研究方向。

要使无人机可靠飞行并顺利执行任务，一般就需要在设计一个自动控制的内环系统的同时，增加一个能够直接介入的操作大回路。

这对于导航来说必须要给出可以分别为无人机本体的机上处理器和人的直观感觉各自都容易理解的飞行信息，从而分别地适用于自动反馈的内环和供人决策的外环。

在这个意义理解上，非参数化的状态信息对给人虚拟驾驶过程中导航更为便捷，例如视频图像等。

但可惜的是，目前关于无人机的研究中还仅仅将视频信息用来提供任务目标的信息获取。

所以，如果能够将这些视频信息进行适当处理，就完全可以提供出远优于由传感器所提供的导航数据。

可以设想，通过双目甚至更多的视频图像流的相关计算，将能够在为操作人员导航的同时实现制导和反馈控制的目的。

当然这会同样带来实时算法和机上处理能力的新问题。

3、多无人机协同编队飞行技术

多无人机协同编队飞行技术提出，是与目前的综合技术水平和它需要执行更具难度的使命紧密关联。

它的脆弱性、高风险性和载荷能力的局限性，都决定了随着应用的不断扩展和使用要求的不断提高，人们选择通过多个无人机协作来执行任务是一个必然的途径。

借助于载人航空飞行的经验和空间飞行器的编队飞行理论，可以预想无人机实现编队的最基本形式。

这既需要预先规划，也需要自主保安，同时还需要当意外情况发生时能够动态调整。

所以，有关编队飞行的概念在认识上还有待进一步的深化，特别是相应的编队飞行的设计理论框架还远未建立。

因此，开展这方面的研究将是一项具有深远的意义。

4、地面遥操作的技术

一般来说，在无人机系统中，研究者都会尽最大的努力提高其自主性能，但到目前为止的大多实际飞行却都表明了人的在线介入的极端重要性。

所以，遥操作技术是无人机系统中不可缺少的组成部分。

这其中，首要的问题就是人—无人机之间信息的透明性，增加决策支持信息的冗余和最大程度地减少人—机回路响应时延，同样是值得研究的关键要素，此外，具有多人共享的远程化、高可靠的地面支持系统将是一个主要的设计内容。

特别需要指出的是，针对多人共享前提下的多无人机飞行的地面支持技术，将是一个非常具有前沿性的研究方向。

微小型无人直升机适用于危险和单调的环境下工作。

在军事和民用领域都具有广阔的应用前景。

如今，它已成为倍受关注的重要研究方向。

这种关注一方面源于应用需求的拉动；另一方面，源于这项技术的挑战性。

随着相关技术的进步，必将大大推动它的跨越和发展。

参考文献：

[1]党芬,王敏芳,汪银辉.无人机的发展现状及趋势.地面航空武器,2005（3）

[2]戴文雯.新型无人直升机飞行控制技术研究〔D〕.南京：

南京航空航天大学，2007

[3」王德宇.小型无人直升机飞行控制系统研究（D〕.长沙：

国防科技大学，2005

[4]周建军，陈趋，崔麦金.无人直升机的发展及其军事应用（J）.航空科学技术，2003，1:

38-40

[5]崔秀敏,王维军,方振平.小型无人机发展现状及相关问题分析.飞行力学,2005（3）

[6]AndreR.Conway.AutonomousControlofanUnstableHelicopterUsingCarrierPhaseGPSOnly.DoctoralDissertation,StanfordUniversity,Stanford,March1995

[7]陈皓生,陈大融.微型直升机动力学建模的研究现状.飞行力学,2003（9）

[8]樊遥.小型无人直升机自主飞行的路径规划算法与实现.上海：

上海交通大学硕士学位论文.2008-05

[9]鲁兴启.新产品开发中的反求工程研究.环球经济与技术产品市场：

79-80

[10]牟小云.面向工程应用的逆向工程建模技术研究新技术新工艺.2008（8）：

28-30

[11]文学红.基于实物模型的复杂曲面产品的反求技术.机电信息.2004（8）：

35-37

[12]逆向工程技术的研究现状及发展趋势2006.10

[13]尤春风.CATIAV5高级应用/CATIA发现系列.北京：

清华大学出版社，2006-01

[14]龙坤.CATIAV5R15中文版基础教程/CATIA发现系列.北京：

清华大学出版社，2006-05

[15]唐俊.CATIAV5运动和力学分析实例教程.北京：

化学工业出版社，2008-04

[16]曹俊生.基于CATIA/CAA的飞机结虚拟装配信息模型研究.南京：

南京航空航天大学硕士学位论文，2005-03

[17]曾柳杨.基于CATIA/CAA的虚拟装配约束关系分析与干涉检查研究.南京：

南京航空航天大学硕士学位论文，2005-03

[18]杨骥.飞机构件虚拟装配技术研究.南京：

南京航空航天大学硕士学位论文，2007-04

[19]李彩霞.虚拟装配理论的研究.太原：

中北大学硕士学位论文，2005-03

[20]李增刚.ADAMS入门详解与实例.北京：

国防工业出版社，2006-04

[21]陈立平.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程.北京：

清华大学出版社，2005-01

[22]蔡伟平.微型直升机旋翼的气动力计算.西安：

西北工业大学硕士学位论文，2005-03

[23]王芳.机动飞行状态下的旋翼入流和响应分析.南京：

南京航空航天大学硕士学位论文，2007-06

[24]宫元.新概念变直径倾转模型旋翼设计及气动特性研究.南京：

南京航空航天大学硕士学位论文，2007-06

[25]高正，陈仁良.直升机飞行动力学.北京：

科学技术出版社，2003-04

[26]淳于江民，张珩.微型无人直升机技术研究现状与展望.北京：

机器人技术与应用，2004-06

[27]http:

//.www.defenee.org.en/elass.aspx?

page=11&ehannelid=13&id=134

[28]我首架无人直升机全权限自主试飞成功.科技与出版-业务交流，2008-03

毕业设计开题报告

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

本课题研究或拟解决的问题

1、对GuLang-450遥控直升机各个零件进行测量与标志；

2、对反求的零件进行编号，模块化装配和总装配；

3、对装配后的遥控直升机进行装配检验；

4、对直升机的旋翼和尾浆进行流体分析，求出其动态平衡关系；

5、实现虚拟样机技术在遥控直升机产品开发设计中的应用。

拟采用的研究手段

1、查阅直升机、逆向工程、虚拟样机技术的相关资料，着重解决逆向工程和虚拟样机技术在直升机设计中的应用问题；

2、采用三坐标测量仪，对GuLang-450遥控直升机的机身和机舱罩进行数据采集，以获取点云数据，如没有三坐标测量仪可利用相机获取直升机的机身的三视图，在利用基于CATIA的图像反求技术，对直升机的机身进行反求；

3、对GuLang-450遥控直升机的其它的零件进行测量，获取3D建模的必需数据；

4、采用CATIA进行逆向工程建模，完成各个零件的3D建模工作，采用模块化的装配思想，逐步完成主侧板箱、主齿轮组、控制臂、脚架、主旋翼、稳定翼、尾旋翼系统与的组装，最后完成总的组装；

5、对总装后的直升机进行装配干涉分析和路径规划研究；

6、将旋翼与尾浆的3D模型导入到FLUENT中进行流体分析，以求得旋翼与尾浆的动态平衡关系；

7、书写无人直升机的反求设计工作说明书。

毕业设计开题报告

指导教师意见：

指导教师：

年月日

所在系审查意见：

系主任：

年月日