无人机搜救平台的机械结构设计【字数：11371】
摘 要本文针对中国国际飞行器设计挑战赛、科研类全国航空航天模型锦标赛中的无人机搜救项目进行赛事化的搜救平台结构设计。研究的搜救平台以遥控直升机作为载体，以遥控器为控制端，通过无线机载图像设备搜索目标，使用机械装置对救援物资进行自动拾取和自动释放。设计了无人机机载下方的搭载结构，采用有限元方法分析了由碳纤维材料和PVC材料构成的搭载架结构的强度、刚度和固有频率；根据设计结果，搭建了真实的搭载架试验结构，并进行了承重、稳定性和单脚先落测试，进一步检验了设计模型。无人机搜救平台为货物承载装置，对搜救货物的承载和输送起到至关重要的作用。本文通过对平台的结构和材料进行设计优化，使平台满足货物的承载条件。本文通过CREO三维软件建立机载下方机械装置，对其结构进行仿真模拟分析。采用全PVC材料建立仿真模型，并进行了应力、应变的分析，针对全PVC材料刚度不足的特点，对结构变形较大的部分改用碳纤维材料管材，实现机载下方机械结构进行优化，并进行有限元仿真模拟分析，结果表明优化后的搭载架结构的应力变形均有所下降，有效提高了结构的承载能力，满足搜救无人机平台设计要求。
目 录
1．引言 1
1.1 课题背景 1
1.2 国内外研究成果 1
1.2.1 国内发展现状 1
1.2.2 国外发展现状 2
1.3 本课题主要内容 2
2.无人机介绍及技术问题 4
2.1 无人机分类 4
2.2 无人机技术难点 4
2.2.1 成本问题 4
2.2.2 续航问题 5
2.2.3 载重问题 5
2.3 材料的选取 5
2.3.1 PVC管材介绍 5
2.3.2 碳管材料介绍 5
2.4 本章小结 6
3.搜救平台的主要功能模块设计及实现 7
3.1 搜救平台结构设计 7
3.1.1 结构设计软件介绍 7
3.1.2 搜救平台结构设计 7
3.2 搜救平台结构优化设计 8
3.2.1 搜救平台结构优化设计 8
3.2.2 搜救平台结构优化设计二维图 8
3.3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
本章小结 9
4.搜救平台有限元分析及试验 10
4.1 有限元法概述 10
4.2 仿真结果分析 10
4.2.1 有限元模型和分析方法 10
4.2.2 搜救平台应力分析 11
4.2.3 搜救平台应变分析 12
4.2.4 搜救平台位移分析 12
4.2.5 模态分析 13
4.3 试验结果分析 14
4.3.1 搜救平台承重测试 14
4.3.2 搜救平台稳定性测试 14
4.3.3 单脚先落地测试 15
4.4 本章小结 15
5.结 语 16
5.1 总结 16
5.2 展望 16
参考文献 18
致 谢 19
1．引言
1.1 课题背景
在中国汶川地震中，无人机在地震救灾工作中被用作航空摄影。近年来，各种灾害现场都有无人机的应用，为救灾工作提供了非常可靠和相关的信息。无人机在搜救中的出色表现及其独特的优势使无人机受到越来越多的关注，无人机的相关技术也取得了巨大的突破。例如：低空遥感技术，飞行控制技术和发动机改进。各种技术的不断发展使无人机的应用环境更加广泛。与此同时，无人机搜索和救援正在转变为系统化和专业化的方向。例如，中国的一些部门已经建立了一个综合的搜救系统。当发生事故时，无人机可以进行快速事故现场检测和信息收集，并及时将相关信息发送到指挥部门，然后发送到指挥部门。制定有针对性的救援措施以拯救事故现场[1]。本文设计了无人机搜救，为中国国际飞机设计挑战赛中的模拟搜救项目设计了一个特殊的设计。
与战斗机、歼击机等载人飞机相比较，无人机生产成本低、整体体积小而且操作方便适应环境能力强，所以广泛应用在各国的军队中[2]。本文设计无人机搜救旨在针对中国国际飞行器设计挑战赛中模拟搜救项目进行专项设计。
1.2 国内外研究成果
1.2.1 国内发展现状
近年来中国国际飞行器设计挑战赛科研类全国航空航天模型锦标赛开展的如火如荼，其中典型的有模拟搜救项目。搜救平台以遥控直升机做载体，以遥控器为控制端，通过无线机载图像设备搜索目标，使用机械装置对救援物资进行自动拾取和自动释放。
近年来，随着旋翼无人机技术的成熟，无人机以其操作简单，运动灵活，性能稳定可靠等诸多领域取得了巨大成就。他们在农业，军事，气象和救灾方面取得了很大成就。成功使用[3]。然而，目前旋翼无人机的大部分用途是通过航空摄影监测环境，而不是与外部环境有效地相互作用。如果在多旋翼无人机上安装灵活的机械臂，无人机可以捕获和运输外部环境物体。现有的无人机捕获研究需要使用外部设备（例如昂贵的，容量有限的动作捕捉系统）或基于视觉的慢速视觉飞行捕获来实时访问无人机和目标抓取的位置信息。该过程很漫长，不适合广泛的应用。此外，在飞行过程中，需要根据目标物体的实际位姿规划出准确的飞行轨迹，对于具有高维状态量的无人机复合系统而言，传统的A*或者基于运动采样RRT等轨迹规划方法无法正常使用，因此需要一种新的规划方法。
2004年，四旋翼无人机得到广泛应用，哈尔滨工业大学设计了该无人机的动力学模型，之后根据实际应用环境对模型进行了简化，简化为线性化模型。设计了基于四旋翼无人机的线性模型设计，接着运用数值模拟技术对飞行控制器进行控制仿真以验证其有效性[4]。
商用无人机的推广速度很快，例如Dhan系列的幻影，肌腱云，精灵等，以及由北方天途公司生产的多旋翼无人机、固定翼无人机，占据了很大的市场份额。使用直升机降低航空摄影的成本。
1.2.2 国外发展现状
目前，四旋翼无人机的机械臂系统的研究都是在欧拉拉格朗日方程的基础上开展的，而美国宾州大学GRASP实验室的无人机抓取模型则是在xz平面上的特例[5]。
瑞士某学院的EPLF自动化系统实验室重点针对飞行控制算法的开发，为实现多旋翼无人机在各种环境下均能自主飞行，研制出了一种电动力小型四旋翼无人机OS4。该实验室将此项目分阶段实施。第一阶段利用多种算法控制无人机飞行姿态。而第二阶段则使用了更大叶片面积的新转子，以及更轻，更强大的LRK转子。电机则改进为BLDC控制器，对于电池和电机的驱动模块为节约空间将其直接安装在机体上，通过这些改进实现了该无人机的室内环境导航的自动控制[6]。
目 录
1．引言 1
1.1 课题背景 1
1.2 国内外研究成果 1
1.2.1 国内发展现状 1
1.2.2 国外发展现状 2
1.3 本课题主要内容 2
2.无人机介绍及技术问题 4
2.1 无人机分类 4
2.2 无人机技术难点 4
2.2.1 成本问题 4
2.2.2 续航问题 5
2.2.3 载重问题 5
2.3 材料的选取 5
2.3.1 PVC管材介绍 5
2.3.2 碳管材料介绍 5
2.4 本章小结 6
3.搜救平台的主要功能模块设计及实现 7
3.1 搜救平台结构设计 7
3.1.1 结构设计软件介绍 7
3.1.2 搜救平台结构设计 7
3.2 搜救平台结构优化设计 8
3.2.1 搜救平台结构优化设计 8
3.2.2 搜救平台结构优化设计二维图 8
3.3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
本章小结 9
4.搜救平台有限元分析及试验 10
4.1 有限元法概述 10
4.2 仿真结果分析 10
4.2.1 有限元模型和分析方法 10
4.2.2 搜救平台应力分析 11
4.2.3 搜救平台应变分析 12
4.2.4 搜救平台位移分析 12
4.2.5 模态分析 13
4.3 试验结果分析 14
4.3.1 搜救平台承重测试 14
4.3.2 搜救平台稳定性测试 14
4.3.3 单脚先落地测试 15
4.4 本章小结 15
5.结 语 16
5.1 总结 16
5.2 展望 16
参考文献 18
致 谢 19
1．引言
1.1 课题背景
在中国汶川地震中，无人机在地震救灾工作中被用作航空摄影。近年来，各种灾害现场都有无人机的应用，为救灾工作提供了非常可靠和相关的信息。无人机在搜救中的出色表现及其独特的优势使无人机受到越来越多的关注，无人机的相关技术也取得了巨大的突破。例如：低空遥感技术，飞行控制技术和发动机改进。各种技术的不断发展使无人机的应用环境更加广泛。与此同时，无人机搜索和救援正在转变为系统化和专业化的方向。例如，中国的一些部门已经建立了一个综合的搜救系统。当发生事故时，无人机可以进行快速事故现场检测和信息收集，并及时将相关信息发送到指挥部门，然后发送到指挥部门。制定有针对性的救援措施以拯救事故现场[1]。本文设计了无人机搜救，为中国国际飞机设计挑战赛中的模拟搜救项目设计了一个特殊的设计。
与战斗机、歼击机等载人飞机相比较，无人机生产成本低、整体体积小而且操作方便适应环境能力强，所以广泛应用在各国的军队中[2]。本文设计无人机搜救旨在针对中国国际飞行器设计挑战赛中模拟搜救项目进行专项设计。
1.2 国内外研究成果
1.2.1 国内发展现状
近年来中国国际飞行器设计挑战赛科研类全国航空航天模型锦标赛开展的如火如荼，其中典型的有模拟搜救项目。搜救平台以遥控直升机做载体，以遥控器为控制端，通过无线机载图像设备搜索目标，使用机械装置对救援物资进行自动拾取和自动释放。
近年来，随着旋翼无人机技术的成熟，无人机以其操作简单，运动灵活，性能稳定可靠等诸多领域取得了巨大成就。他们在农业，军事，气象和救灾方面取得了很大成就。成功使用[3]。然而，目前旋翼无人机的大部分用途是通过航空摄影监测环境，而不是与外部环境有效地相互作用。如果在多旋翼无人机上安装灵活的机械臂，无人机可以捕获和运输外部环境物体。现有的无人机捕获研究需要使用外部设备（例如昂贵的，容量有限的动作捕捉系统）或基于视觉的慢速视觉飞行捕获来实时访问无人机和目标抓取的位置信息。该过程很漫长，不适合广泛的应用。此外，在飞行过程中，需要根据目标物体的实际位姿规划出准确的飞行轨迹，对于具有高维状态量的无人机复合系统而言，传统的A*或者基于运动采样RRT等轨迹规划方法无法正常使用，因此需要一种新的规划方法。
2004年，四旋翼无人机得到广泛应用，哈尔滨工业大学设计了该无人机的动力学模型，之后根据实际应用环境对模型进行了简化，简化为线性化模型。设计了基于四旋翼无人机的线性模型设计，接着运用数值模拟技术对飞行控制器进行控制仿真以验证其有效性[4]。
商用无人机的推广速度很快，例如Dhan系列的幻影，肌腱云，精灵等，以及由北方天途公司生产的多旋翼无人机、固定翼无人机，占据了很大的市场份额。使用直升机降低航空摄影的成本。
1.2.2 国外发展现状
目前，四旋翼无人机的机械臂系统的研究都是在欧拉拉格朗日方程的基础上开展的，而美国宾州大学GRASP实验室的无人机抓取模型则是在xz平面上的特例[5]。
瑞士某学院的EPLF自动化系统实验室重点针对飞行控制算法的开发，为实现多旋翼无人机在各种环境下均能自主飞行，研制出了一种电动力小型四旋翼无人机OS4。该实验室将此项目分阶段实施。第一阶段利用多种算法控制无人机飞行姿态。而第二阶段则使用了更大叶片面积的新转子，以及更轻，更强大的LRK转子。电机则改进为BLDC控制器，对于电池和电机的驱动模块为节约空间将其直接安装在机体上，通过这些改进实现了该无人机的室内环境导航的自动控制[6]。
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