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1、小型飞行器的六维飞行力测定-工程力学专业目 录引 言1第一章 小型飞行器的研究现状11.1国外研究现状11.2国内研究现状4第二章 小型飞行器相关理论概述62.1小型飞行器的由来62.2小型飞行器的种类72.2.1微小型固定翼飞行器82.2.2微小型旋翼飞行器82.2.3微小型扑翼飞行器9第三章 小型飞行器的控制原理及数学建模93.1飞行控制原理93.2数学建模113.2.1 建立动力学方程123.3姿态解算133.3飞行控制算法14第四章 六维力测力系统144.1六维力传感器144.2六维力传感器工作原理154.2.1 六维力传感器的标定15结 论16参考文献18致 谢20摘 要小型飞行器是
2、一种结构紧凑、飞行方式独特的垂直起降式飞行器，因其起飞降落所依赖空间小，及姿态保持能力强等优点，在军事和民用等多个领域都有广阔的应用前景。目前市场上出现了多种小型飞行器用于军事、航拍、农作物农药的播撒等给人们带来方便。但是小型飞行器也有弊端，在有风情况下，小型飞行器的飞行状态极不稳定操控者不易操控，需要进行专业培训。提高操控能力需要操控者对飞行器在不同风力状态下所需要的飞行力有个定量了解。本文利用一款六维力测力系统对某款小型飞行器的飞行力进行实验测量，希望通过大量的实验，得出有价值的结果，为操控飞行器人员提供理论参考。关键词：小型飞行器；六维力；数学建模AbstractSmall aircra
3、ft is a kind of vertical take-off and landing aircraft with compact structure and unique flight mode. Due to its advantages such as small space for takeoff and landing and strong attitude maintaining ability, it has a broad application prospect in military and civil fields. At present, a variety of
4、small aircraft have appeared on the market for military, aerial photography, crop pesticides spread and so on to bring convenience to people. However, in the case of wind, the flight status of small aircraft is not stable and it is difficult for the pilot to control, which requires professional trai
5、ning. Improving control requires the operator to have a quantitative understanding of the flight force required by the aircraft under different wind conditions. In this paper, a six-dimensional force measurement system is used to measure the flight force of a small aircraft, and the six-dimensional
6、force data under different wind conditions are proposed to provide a theoretical reference for aircraft operators.Key words: small aircraft,；six - dimensional force,；mathematical modeling引 言目前市场上出现了多种小型飞行器应用于军事、航拍、农作物农药播撒等给人们带来方便，它具备随时起降、低空飞行等优异性能。但由于小型无人机飞行器传动系统是一个机体内部结构复杂、非线性、强耦合的传动设备，自然因素如气温、风向等变
7、化都可能对飞行情况造成明显影响，因此，此类小型无人机的飞行自控系统在研发过程中仍然面临诸多困难，成功设计出理想化产品还需解决当前遇到的难题。有风情况下，小型飞行器的飞行状态极不稳定操控者不易操控，需要进行专业培训。提高操控能力需要操控者对飞行器在不同风力状态下所需要的飞行力有个定量了解。本文利用一款六维力测力系统对某款固定翼小型飞行器的飞行力进行测量，拟给出不同风力状态下的飞行六维力结果，为操控飞行器人员提供理论参考。首先，在建立飞行器的数学模型时，需要考虑直升机的飞行高度与非线性结构，这两个因素都具有一定的复杂性。因此，现有的学术研究理论与控制程序也无法直接运用到其中，此类小型无人机的控制与
8、操作实验还需进一步调试。其次，无人机内部的控制系统会在飞行时产生相互作用，这对研发飞行器的控制系统会增加难度系数，需要考虑更多复杂性的因素。最后是最为关键的一点，即无人机在进行飞行实验过程中的稳定性与安全性，如果在过程中由于环境的各种因素与不确定性影响导致无人机无法正常运行，将会给整个实验造成严重阻碍。本次研究先将上述小型无人机的特点作为切入点，再结合飞行动力学相关理论作为参考，并建立小型无人机的简易数学运动模型,将无人机飞行的程序与内部的飞行动力学原理进行深入探讨，基于研究成果初步建立一个小型无人机的数学模型。本次研究的后续部分为实验过程，首先搭建测量六维力的工作平台，将飞行器安装在工作平台
9、上，将导线连接，开始试验。多次测量取得数据，测定飞行器在上升、下降、平飞、以及转弯等状态下的六维力，并通过实验数据汇总及对比，探讨飞行器在工作状态下的影响因素，根据结果改进实验方法，再次测量使飞行器的飞行状态达到最佳，得出最终结果，为无人机操作者提供参考。第一章 小型飞行器的研究现状1.1研究背景与意义现在社会的多个行业领域都存在人工智能技术应用，此类技术正是凭借着发展速度之快与优势之显著，已然成为社会生活的重要组成部分，也是社会各界与学术界高度重视的新兴领域。基于人工智能技术开发的产品如常见的手机、平板电脑等智能终端，以及智能算法程序搭建的智能机器人、智能生产机器设备等都已经深入到人类生活的
10、方方面面，智能手机等产品使我们可以随时随地上网、沟通，智能机器人等产品让人们无需进行繁复的机械化工作，促使生产效率显著提高，增加了我国的整体产能。自从进入新世纪，环境传感器作为多种机器设备的重要部件，产品研发与应用呈现数量级增长，以小型无人机为例，环境传感器能帮助无人机在飞行过程中更准确地判断外部环境。由于未来发展前景较好，投资人都将目光投向智能机器设备领域，并将大量资金和资源投入到技术提升与产品研发的过程中，促使智能技术的发展进程加快，技术应用也明显增多。在飞行器的应用研究领域，小型无人机属于其中的一个分支与研究方向。这个方向的主要研究目的是让设备主动感知外界环境并作出调整，让小型飞行器能顺
11、利完成计划目标。此类研究应用学需要结合多个学科的理论知识，并将学科知识进行融合创新的一个复合性学科。在研发过程中单是设计小型飞行器的硬件配置，就必须掌握机械制造与自动化等技术应用，并将这些理论知识应用到设备组装与飞行实验过程中，以此来测试飞行器能否正常稳定运行。此外，小型无人机内部的程序设计与自动传感部件也需要根据具体情况进行调试，主要关注飞行器在飞行过程中能否主动感知外界事物并及时作出反应，依据实际情况整合出相应的数据信息。现在此类技术应用较多出现在年轻人的日常产品以及国家军事武器的研发中，都会对我们的社会发展与生活质量产生一定影响。由于近些年移动终端产品与网络的覆盖率提高，制造小型飞行设备
12、的成本也出现明显降低，促使此类小型飞行器的应用更为常见，已经涉及到社会生活的多个行业领域，如航拍、农业、侦查等。由于小型飞行器的体积较小且功能应用较为多样，可以更加便捷和隐蔽地深入到复杂环境中，目前已经较多用于取代人员侦查的环节，减少过程中的产生成本与风险。但是，此类飞行器的运行前提必须保证设备的各项功能正常，才能用于完成任务与其它工作。在地质勘探与地震救灾等特殊情况下，由于地形复杂，工作人员无法继续深入到腹地，这时就需要小型飞行器升空来辅助勘查；此外，如果需要在较长的时间内对特点目标进行监视，为了使工作效率提高并节省成本，也可以将飞行器作为一种辅助工具。上述具体应用的前提都需要工作人员对飞行
13、器的内外部结构与操作方法进行了解和掌握。如果需要将无人飞行器应用到环境勘测或目标追踪过程中，为了避免因当地的复杂地形而迷失方向，需要提前对飞行的基本路线做好规划，并安排专门人员负责操控飞行器，以减少飞行器意外坠毁的风险。因此,针对小型飞行器六维力的测定，了解飞行的在复杂环境中正常飞行问题的研究有着重要的意义。1.2国外研究现状上个世纪末期，由于电子工程类项目的广泛应用，致使飞行器领域也得到快速发展，诸如计算机、材料科学、机械过程等学科的理论也为飞行器产品的研发设计提供了助力，使飞行器的研究理论得到丰富与完善。此后，这些也成为研发四旋翼这类小型飞行器的重要理论基础，促使飞行器在飞行过程中能保持稳
14、定运行，从而顺利完成飞行的指定任务。进入到新世纪以后，由于各种技术研发的成功，致使四旋翼这类飞行器的应用也得到较快发展，从事相关领域的人员致力于开发更多技术应用产品与部件设计，无论是飞行器的硬件设备，亦或是内部的程序设计都得到明显进步与发展。本世纪由国外企业负责设计研发的四旋翼飞行器样式如下图所示：图1-1 STARMAC的四旋翼飞行器2003年,斯坦福大学自主研发了一款新的starmac四旋翼飞行器,它实现了具有小的体积、轻质量和成本低的特点，实际应用于验证飞行器内部程序的运行状态。此类飞行器的主要设计与编写技术为raganflyeriii的相关技术成果，并在此基础上按照具体的应用需求来完善
15、与创新，它实现了能在无风环境或者室内进行自主稳定的智能控制飞行，主要用来实验和测试智能控制的,如图1-1所示。2008年,由美国斯坦福大学主持研发的一个项目starmac，其主要研究内容为基于四旋翼飞行器的外观形状，对其内部的算法程序加以改进。研发出来的产品不仅拥有高效快速的信息处理能力，还能对外部环境作出精准感知与反应。此外，由于这款飞行器的内部配置极其优越，可以通过内置的芯片与地面控制人员进行沟通，并将实时定位发送到设备控制终端。即便飞行的区域范围内有较为强烈的电磁影响，也同样能很好地实现快速稳定的控制。瑞士联邦理工学院在os4项目中同样以四旋翼飞行器作为研究对象，但在研究过程中创造性使用
16、电力作为设备的驱动力，使飞行器能够保持较长一段时间的稳定运行，具体图样如1-2所示。该学院的主要研发负责人为了对Os4飞行器运行时的避障能力进行测试，在实验过程中采用了atlamatlab仿真技术以及超声波探测技术，为了增加实验数据的真实性与实用性，还将飞行器可能在飞行过程中遭遇的障碍情况作为依据，分别进行仿真测试并将过程中检测到的数据进行整合。图1-2 OS4 项目飞行器德国的一家名为microdrones的公司在2006年研发出一款型号为md4-200的飞行器，图样如1/3所示。这款飞行器最大的特点在于内部传感器的优越性能，能够顺利搜集任务所需数据并进行整合，该公司飞行器的控制算法实现了对姿态和飞行器位置的稳定和自动控制。此款飞行器采用的制作材料是一种碳纤维复合材料，此类材料的优越性在于密度高和质量轻，能够帮助飞行器快速升空并保持坚固性
