带机械爪的无人机设计与控制【全套含CAD图纸、说明书】
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编号:
毕业设计开题报告
题 目: 带机械抓的无人机
设计与控制
院 (系): 机电工程学院
专 业:机械设计制造及其自动化
学生姓名:
学 号:
指导教师单位:
姓 名:
职 称:
题目类型:¨理论研究 ¨实验研究 þ工程设计 ¨工程技术研究 ¨软件开发
年3月1日
1.毕业设计的主要内容、重点和难点等
主要内容:
无人驾驶飞机简称“无人机”,英文缩写为“UAV”,是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。从技术角度定义可以分为:无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机等。
无人机按应用领域,可分为军用与民用。军用方面,无人机分为侦察机和靶机。
无人机+行业应用,是无人机真正的刚需;目前在航拍、农业植保、测绘、运输等领域的应用,大大的拓展了无人机本身的用途。
本次设计主要针对无人机在抓取、运输领域的应用和扩展。
本课题设计的主要内容包括:
1.设计无人机的机械爪;
2.设计无人机与机械抓的连接部分结构;
3.给出带机械爪无人机的控制方法。
二、毕业设计(论文)的要求与数据:
1.要求设计的机械爪能够在无人机悬停过程中抓取地面或是水面的物体;
2.要求给出适当的控制方法保证无人机能顺利抓取物体后返回指定地点;
3.成果中设计的专用件结构、配合满足标准化要求,选购的电气件、通用件、标准件等皆符合相关国家标准、行业标准要求;
4.提交的所有图纸应表达方式简洁,尺寸标注完整、清晰、规范。
三、 本毕业设计重点和难点
重点:
1.制定机械手的抓取方式和连接部分结构总体设计方案;
2.制定旋翼无人机的框架和机械抓固定座的设计方案;
3.设计可收放的起落架,防止飞行时起落架阻碍机械抓的抓取;
4.设计无人机重心自动平衡校正系统、防抓取过载保护系统和无人机自动导航识别系统。
难点:
1.旋翼无人机机架结构、旋翼电机的支撑结构、起落架的收放结构及机械手结构强度可靠性及寿命的计算。
2.机械手的的抓取力计算,由于动力源由微型电机提供,机械手的机构必须有自锁机构,电机断电后可持续抓取。
3.无人机承载力、续航能力的权衡和推重比的确定。
4.无人机悬停平衡和抓取重物过程保持平衡的位姿控制系统设计。
2.准备情况(查阅过的文献资料及调研情况、现有设备、实验条件等)
(1)调研情况:
经查阅相关书籍资料并结合所学过的机械等相关知识,了解了带机械抓的无人机发展、设计方法及相关规定,为设计作好准备。
在最近的一段视频中,研究团队展示了一种四旋翼式蜂鸟无人机俯冲向一个圆柱并且使用一个机械抓抓取它飞走的情景。研究人员从老鹰获得灵感,他们相信俯冲的无人机能够促使重量更轻、能耗更少的无人机出现,而且能够借助俯冲获得的速度快速恢复高度。这种无人机非常轻,机身和抓爪总重量不足1公斤。
研究人员认为飞扑式无人机能够促使无人机在秘密行动中实现即刻静默,并且通过减少盘旋时间来帮助提高执行任务的持久性。这种无人机也能够被用于速度和时间紧迫的救援行动。研究团队最初制作了一种双叉形爪子,但是当这种抓爪连接到无人机时的效果并不好,而且当速度超过1米每秒时就无法抓起一个球。
因此研究团队重新设计了抓爪,他们使用热塑性塑料创造了一个三指抓爪,外面包裹的橡胶壳能够改善它的抓取能力。为了改善抓爪在更快速运动时抓取物体的能力,研究人员将它连接到一个回旋臂上,它能够模拟老鹰在俯冲时收回爪子的动作,来减少它与目标之间的相对速度。虽然无人机并不能和老鹰一样抓取,但是它已经有所接近。通过进行少许的变动,研究人员能够使抓爪在提高三倍速度的情况下抓取物体。
(2)可携载物体的无人机的现状与发展:
2013年6月,美国Matternet公司在海地和多米加共和国测试了无人机网络,无人机能够携载2公斤物体飞行9.7公里。该公司希望建立一个庞大的国际无人机运输网络和无人机配件全球供应系统,同时,还计划建立充电基站,使无人机可以沿途降落进行充电。[7]
2013年9月,顺丰自主研发的用于派送快件的无人机完成了内部测试,在局部地区试运行。这种无人机采用八旋翼,下设载物区,飞行高度约100米,内置导航系统,工作人员预先设置目的地和路线,无人机将自动到达目的地,误差在2米以内。[8]
2013年12月,亚马逊表示在测试一个叫作”Prime Air“的无人机快递项目,通过使用8桨遥控无人机实现鞋盒包装以下大小货物的配送,所有订单从发货开始预计会在30分钟内送达1.6公里范围内的客户手中。与此同时,UPS也在试验类似的无人机设备。[9]
2014年10月,DHL宣布将在德国实现无人机送货。该公司的四旋翼无人机可运载1.2公斤的货物,飞行时间可达45分钟,时速最高可达65千米,但该无人机并非完全脱离人力,依然受到地面工作人员的控制。[10]
2015年2月,淘宝联合圆通速递,在北京、上海、广州部分区域开展的无人机快递实验。该螺旋桨驱动无人机的型号为黑白机身,占地约0.25平方米。[11]
参考文献
[1]Rogelio Lozano著.陈自力.江涛等译 .无人机——嵌入式控制[M].国防工业出版社.2014.
[2]Loannis A.Raptis. Kimon P.Valavanis著.肖阳.吴勇等译.小型无人直升机线性与非线性控制[M]国防工业出版社.2014.
[3]《工业机械手》编写组.工业机械手上下册[M]上海科学技术出版社.1982.
[4]王伟.宋延华.马浩.旋翼无人机系统[J]控制工程.2015:(2).205-212.
[5]代君兰.基于CAN总线控制系统的抓物机械手设计[J]机械设计与制造.2011:(10).91-93.
[6]张楠.何玉成.王南.操作机器人机械手爪的设计研究及应用[J]机械设计.2013:(03).27-30.
[7]无人机自动快递[J]资讯_锐科技.2013:(14).32.
[8]熊元.无人机新玩法[J]科技.2014:(7).64-65.
[9]亚马逊5年内使用无人机送快递:30min送达[J]可靠性与环境适应性标准信息与行业动态.2013:(S1).337.
[10]DHL“抢跑”无人机送货[J]商业视窗.201:(12).18.
[11]黄泽满.刘勇.周星.陈天伟.梁毅东.民用无人机应用发展概述[J]学技术与设计.201:(24).36-38.
[12]谭建豪.王耀南.王媛媛.张艺巍.王楚.陈谢沅澧.旋翼飞行机器人研究进展[J]综述与评论.2015:(10).24-26
[13]S. Salazar‐Cruz. J. Escareño. D. Lara. R. Lozano.Embedded control system for a four‐rotor UAV[J]Int. J. Adapt.Control Signal Process.2007:(21).2‐3.
(5)试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件
计算机一台、CAD软件以及相关三维绘图软件Solidworks2012等。
3、实施方案、进度实施计划及预期提交的毕业设计资料
实施方案:
查阅资料,选择最优方案。确定机械爪的材料,抓取力,驱动力矩,强度,大概尺寸等参数,根据设计方案、原理开始设计机械爪的机构,固定方式,绘制草图,校验后绘制正式图纸。根据设计方案设计无人机的框架,其中包括:机械抓的固定座、旋翼电机固定座、起落架安装结构、传感器和电路板的安装座。确定无人机框架的材料,计算无人机框架的结构强度、抗摔力、寿命等参数,绘制草图,校验后绘制正式图纸。设计无人机的收放起落架。根据要求,确定无人机的推重比,速度,升力,续航时间,选择旋翼电机和电池。设计无人机重心自动平衡校正系统、防抓取过载保护系统和无人机自动导航识别系统,绘制系统框图和电路原理图。绘制整机装配图,撰写设计说明书,核查相应的图纸设计、毕业设计论文格式。
进度计划:
(1)2015.12—2015.01所选择的课题进行调研、查阅资料、方案设计。
(2)2015。01—2016.02查阅资料,明确设计目的,完成开题报告,收集与课题相关的资料及参考文献,确定毕业设计的设计大致方案。
(3)2016.03—2016.04完善并确定最初方案,制定无人机框架和机械抓总体设计方案。
(4)2016.04—2016.05根据设计要求,设计好旋翼无人机机架结构、旋翼电机的支撑结构、起落架的收放结构及机械手结构;完成各个结构的强度校验和寿命计算;完成机械抓的抓取力计算,选择机械抓的驱动电机;估算整机重量,确定无人机的推重比,选择无人机的驱动电机;根据续航要求,选择无人机的配套电池。画出其装置的总装配图,及相关的零件,并表述装置的工作原理过程。进行毕业论文(设计)初稿。
(5)2016.05—2016.06确定无人机重心自动平衡校正系统、防抓取载保护系统和无人机自动导航识别系统方案;根据设计方案,选择控芯片,无线传输芯片,传感器和导航芯片等;连接电路,编写控制程序,最后进行调试和检验。
(6)2016.06—2016.06根据指导教师意见进行修改,并最后定稿,并且完成计算机绘制图和外文翻译。核查相应的图纸设计、毕业设计论文格式。
(7)2016.06—2016.07完成毕业设计,提交论文。
预期提交:
1、带机械抓的无人机设计说明书;
2、英文资料翻译(附英文原文);
3、CAD绘制二维带机械手的无人机装配图、零件图及控制系统原理图。
指导教师意见
指导教师(签字):
2016年3月1日
开题小组意见
开题小组组长(签字):
2016年3月 1 日
院(系、部)意见
主管院长(系、部主任)签字:
2016年3月 1 日
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