廣告無人機控制系統(tǒng)及可收放式起落架的設計

廣告無人機控制系統(tǒng)及可收放式起落架的設計,廣告,無人機,控制系統(tǒng),可收放式,起落架,設計 畢業(yè)設計（論文）中期報告 題目：廣告無人機控制系統(tǒng)及可收放式起落架的設計 1. 設計（論文）進展狀況 通過導師的細心指導，現(xiàn)已完成以下內(nèi)容： （1）飛空系統(tǒng)的設計 近年來國際上各種無人機技術突飛猛進，國外許多型號的無人機已經(jīng)可以參與實戰(zhàn)。 1.1整體系統(tǒng)結構 整體系統(tǒng)可以分為機載部分和地面部分，機載部分負責維持飛機的穩(wěn)定飛行并提供圖像信息給地面部分，地面部分根據(jù)飛機的狀態(tài)以及得到的圖像信息作出下一步飛行的目標規(guī)劃并發(fā)送給機載部分，同時為了確保安全，防止自主飛行機構失控，添加可由操作手控制的控制器，在緊急情況下切換到操作手遙控方式。 1.2?機載控制系統(tǒng) 為了完成自主飛行任務，飛機需要相關功能部件完成對飛機狀態(tài)信息的采集、對執(zhí)行部分的控制以及對地面站命令的響應等功能。在無人機上，替代飛行員或操作手完成飛行任務的自主機構包括圖像設備、飛控模塊、高度測量、舵機控制、數(shù)據(jù)鏈路以及航姿儀等，各個模塊之間相對獨立，均可單獨完成一定的功能，模塊之間的相互連接采用總線實現(xiàn)，便于安裝和系統(tǒng)集成。 1.2.1飛行控制計算機 飛行控制計算機是直升機的中央控制單元，負責飛機上各個單元的協(xié)調(diào)工作，并與地面站之間進行數(shù)據(jù)傳輸。同時根據(jù)控制算法和地面站的命令，保持飛機以一定的姿態(tài)飛行。 1.2.2導航系統(tǒng) 為了實現(xiàn)對直升機姿態(tài)的控制，需要有飛機各個方向的速度位置姿態(tài)信息等，慣性導航系統(tǒng)的算法通過對慣性測量單元(IMU)提供的加速度和角速度的積分，得到機體的位置、速度和姿態(tài)信息(PVA)。 1.2.3超聲波測高模塊 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射回來，超聲波接收器收到反射波即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離。 1.2.4 舵機驅(qū)動模塊 舵機是無人直升機上的執(zhí)行機構，通過操縱舵機來改變主旋翼的槳葉角度和槳盤角度以及尾槳的槳葉角度，就可以控制作用于飛機上的力和力矩，從而改變機體飛行狀態(tài)。 1.3 地面系統(tǒng) 地面系統(tǒng)負責與機載部分通訊，發(fā)送控制指令，接收飛機狀態(tài)信息并處理飛機發(fā)回的圖像信息。具體分為視覺處理部分以及地面站部分。 1.3.1 視覺處理 從直升機上面的攝像頭拍到的圖片中檢測出固定的幾類圖標的位置。 1.3.2 地面站 地面控制站程序的作用是觀察飛機的各項飛行信息，包括GPS信息、飛機狀態(tài)信息、飛行航跡信息等，并可以發(fā)送命令對其進行控制。地面站和視覺程序結合起來，利用飛機當前的高度、航向以及飛機所處的位置，可以計算出圖標的實際經(jīng)緯度信息，這也是比賽的最終要求。 (2) 起落架的設計 起落架是航空器下部用于起飛降落或地面（或水面）滑行時支撐航空器并用于地面（或水面）移動的附件裝置。起落架是唯一一種支撐整架飛機的部件。 2.1 減震器 現(xiàn)代飛機上應用最廣的是油液空氣減震器。當減震器受撞擊壓縮時，空氣的作用相當于彈簧，貯存能量。而油液以極高的速度穿過小孔，吸收大量撞擊能量，把它們轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使飛機撞擊后很快平穩(wěn)下來，不致顛簸不止。 2.2 收放系統(tǒng) 收放系統(tǒng)一般以液壓作為正常收放動力源，一般前起落架向前收入前機身，而某些重型運輸機的前起落架是側(cè)向收起的。主起落架收放形式大致可分為沿翼展方向收放和翼弦方向收放兩種。 (3） 控制系統(tǒng) 3.1 步進電機模塊 對于一個步進電機，如果它的轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為，它的齒距角為：=2Π/，而步進電機運行k拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距位置。 3.2 步進電機的頻率特性 對于反應式步進電機，在其繞組中通電的相序不同時，步進電機的旋轉(zhuǎn)方向和步進精度有所不同。步進電機對繞組的通電頻率有一定的要求。如果通電頻率過高，超過步進電機的最大步進速度，就會產(chǎn)生失步。 3.3 交流電機正反轉(zhuǎn)控制原理 3.4 交流電機的星—三角形啟動 對于正常運行時定子繞組接成三角形的鼠籠型異步電動機，在啟動時，為了保護電動機，一般采用Y/△降壓啟動方法來達到限制啟動電流的目的。 3.5 元件選擇 有繼電器、接觸器、熔斷器、行程開關等，要以低價實用為目的選取。 (4) 完善了開題報告，完善了方案設計。完成了機構等圖的基本設計 2 存在問題及解決措施 (1) 方案的選擇 因為想要創(chuàng)新，研究了大量的相關書籍和背景知識。有了初步的想法，并把想法付諸于圖紙之上，但是問題也隨之而來。因為之前沒有做過相關的研究和設計，所以沒有任何文獻可以參考。解決方法：因為計算了創(chuàng)新方案的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了大量的設計性缺陷。數(shù)值的定量，強度的校核很多都不盡人意。因此選擇了相對保守但安全的新型的氣動送料機構。 (2) 常見故障及處理措施 常見的故障，根據(jù)上網(wǎng)查閱和老工人的交談中了解到了很多故障及意外情況，針對這些意外故障，做了大量的準備工作。 (3) 設計的可靠性 設計主要還是根據(jù)書本知識來進行的，可靠性還是很難得到保障的。解決方案：多去實驗室，親身實踐，了解有關的系統(tǒng)知識。不僅在這方面的知識有所增長，在相關領域也能豐富自己的見聞。 3 后期工作安排 （1） 對所確定的實施方案進行全面的、系統(tǒng)的設計與分析; （2） 完善液壓、控制系統(tǒng)等設計以及相關計算; （3） 完善裝置的零件圖與裝配圖; （4） 撰寫畢業(yè)論文; （5） 準備答辯; 指導教師簽字： 年 月 日 - 5 - 畢業(yè)設計(論文)開題報告 題目： 廣告無人機控制系統(tǒng)及可收放 式起落架的設計 1 畢業(yè)設計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關研究情況） 1.1題目背景 無人機即無人駕駛飛機，也稱為遙控駕駛飛行器，是機上沒有駕駛員，靠自身程序控制裝置操縱，自動飛行或者由人在地面或母機上進行遙控的無人駕駛飛行器，在它上面裝有自動駕駛儀、程序控制系統(tǒng)、遙控與遙測系統(tǒng)、自動導航系統(tǒng)、自動著陸系統(tǒng)等，通過這些系統(tǒng)實現(xiàn)遠距離控制飛行。無人機大體上由無人機載體、地面站設備(無線電控制、任務控制、發(fā)射回收等起降裝置)以及有效負荷三部分組成。 由于無人機具有低成本、零傷亡、可重復使用和高機動等優(yōu)點，因此深受世界各國軍隊的廣泛歡迎，近年來得到了快速發(fā)展。對于無人機而言，其自動飛行控制系統(tǒng)的設計是至關重要的，它的優(yōu)劣程度直接影響到無人機各項性能(包括起飛著陸性能、作業(yè)飛行性能、飛行安全可靠性能、系統(tǒng)的自動化性和可維護性等)。因此，研究無人機的自動飛行控制技術具有十分重要的現(xiàn)實意義，尤其是在軍事上的重要性己經(jīng)得到國內(nèi)外的高度重視，而無人機飛行控制系統(tǒng)是無人機能夠安全、有效地完成復雜戰(zhàn)術、戰(zhàn)略使命的基本前提，因此迫切需要加強該領域的研究工作。 1.2研究意義 我校在無人機研究方面，目前比較少"無人機作為自動化技術應用的一個高端產(chǎn)品，代表了自動化技術及其應用的發(fā)展前沿"開展無人機控制系統(tǒng)與技術的研究，無疑具有十分重要的應用價值和學術意義"自動飛行控制系統(tǒng)是無人機的大腦，無人機的幾乎所有動作都要依靠它來控制完成，因此，自動飛行控制系統(tǒng)無疑是無人機的組成核心，更是無人機控制技術的研究核心"要進行無人機控制技術的研究，一個供實驗用的硬件平臺必不可少"但是，由于此類產(chǎn)品的敏感性，能買到的無人機產(chǎn)品幾乎都是黑匣子，資料都屬保密，難以進行研究和二次開發(fā)"因此，本課題的主要目的是:構筑一個基本的自動飛行控制器的硬件實驗平臺。 1.3國內(nèi)外相關研究情況： 1.3.1國外無人機研究相關情況 無人機起初主要用于軍事用途，受到許多國家的青睞，發(fā)展迅猛，直到20世紀90年代引發(fā)了世界范圍的無人機研制熱潮，將無人機推向了多用途、綜合性的飛速發(fā)展階段。目前世界上有41個國家己使用80種不同型號的無人機，而32個國家正在發(fā)展或制造超過250種型號的無人機，其中美國、以色列研制的無人機尤為出色。 1.3.2國內(nèi)無人機研究相關情況 我國的無人機研究起始于20世紀六十年代，目前，國內(nèi)無人機的研究發(fā)展在總體設計、飛行控制、組合導航、中繼數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)、傳感器技術、圖像傳輸、信息對抗與反對抗、發(fā)射回收、生產(chǎn)制造和民用等諸多技術領域，同發(fā)達國家相比仍有不小差距"即使在軍用領域，我國無人機還不能很好適應高技術戰(zhàn)爭的需要。采用國外現(xiàn)成技術的途徑也不容樂觀，盡管國外有多家廠商在開發(fā)無人機，但不僅價格都很昂貴，并且由于西方對我國的技術限制并不出售，目前，只有MICROPILOT公司研制的產(chǎn)品AP50對國內(nèi)開放，但其定型較早，許多技術己明顯處于落后。 2 本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施 2.1主要內(nèi)容： （1） 設計低成本、低耗能、高性能的微小無人機的姿態(tài)確定方案以及起落控制 系統(tǒng) （2）飛行控制系統(tǒng)的姿態(tài)系統(tǒng)設計和可收放式起落架系統(tǒng)的硬件設計。 （3）設計可收放式起落架及起落部分電氣控制系統(tǒng)，設計兩種以上比較經(jīng)濟的 廣告宣傳途徑。 （4）最終方案確定，并建立二維、三維幾何模型，進行靜態(tài)力學分析、計算強 度、選型并進行校核。 （5）對起落架主要部分進行強度校核以及結構優(yōu)化設計，并繪制零件圖和裝配 圖。 2.2方法： （1） 在分析和掌握無人機自動飛行控制原理和系統(tǒng)構成的基礎上，設計滿足基 本實驗所需的飛行控制器硬件組成結構。 （2） 設計并實現(xiàn)基于ARM微處理器的無人機飛行控制器控制板、傳感器接口及 其驅(qū)動。 （3） 選擇高度傳感器、速度傳感器、羅盤、GPS、以及舵機等部件，與控制板 一起組成飛行控制器硬件實驗平臺。 （4） 設計并實現(xiàn)硬件實驗平臺調(diào)試所需的基本驅(qū)動和初始化軟件進行飛行控 制器控制板、傳感器通信和舵機控制等必要的實驗調(diào)試。 2.3方案 設計一個無人機飛行控制系統(tǒng)，用到的傳感器包括：GPS接收機、磁航向傳感器、氣壓高度傳感器、空速傳感器、發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、偏航角速度傳感器；用到的執(zhí)行機構包括：發(fā)動機油門、升降舵、方向舵。如圖該方案能夠?qū)崿F(xiàn)降低成本和便于使用的目標。 圖2.1 飛行控制系統(tǒng)的結構示意圖 3 畢業(yè)論文重點、難點及已展開工作 3.1重點: 如何將機械、控制技術、傳感器的知識結合在一起，以及在實際上的結合。 3.2難點: 設計無人機的飛行控制系統(tǒng)是本課題的關鍵和難點，是此設計中最重要的一步。 3.3已展開工作： 查找各種中外文獻，明確了設計要求.整理了設計方案。 4 工作方案及進度計劃 第1～2周：收集資料，借閱參考書，下載相關英文文獻。 第3～4周：無人機控制系統(tǒng)的建立及可收放式起落架的方案設計，撰寫開題報 告。 第5～8周：篩選電氣控制系統(tǒng)方案、可收放式起落架方案和廣告宣傳方案，建 立模型，以及計算強度。 第9～12周：通過不同方案的對比，分析結論，完成論文的撰寫。 第13～15周：整理資料，準備終期答辯。 指導教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見） 指導教師： 年 月 日 所在系審查意見： 系主管領導： 年 月 日 參考文獻 [1] 濮連貴.機械設計[M].高等教育出版社.2007. 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Journal of Aircraft,1998.35(1). 本科畢業(yè)設計(論文) 題目：廣告無人機控制系統(tǒng)及可收放式起落架的設計 II II 廣告無人機控制系統(tǒng)及可收放式起落架的設計 摘要 無人機在軍事、民用和科技領域發(fā)揮著越來越重要的作用。旋翼無人機具有體積小、質(zhì)量輕、無人駕駛、可垂直起降和定點懸停、操作性好等優(yōu)勢。無人機飛行控制系統(tǒng)的設計是實現(xiàn)無人機自主飛行的關鍵與核心，飛行控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接決定了旋翼無人機的飛行性能及其完成任務的情況。因此研制適合多旋翼無人機的輕型化、低成本、低功耗的飛行控制系統(tǒng)具有重要的理論價值和工程應用價值。 以起落架四點布局無人機為研究對象,在考慮摩擦力、側(cè)向力和角速率等各種因素的情況下,全面分析研究了四輪無人機地面滑跑時的運動特點和受力情況,建立了四輪無人機地面運動的動力學方程和運動學方程。在此基礎上,對 全量非線性模型進行了起飛、著陸時地面滑跑情況的仿真,仿真結果表明系統(tǒng)模型的正確性。 關鍵詞：無人機；飛行控制系統(tǒng)；地面運動 III I 西安工業(yè)大學也北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） Advertising UAV Control System And Retractable Landing Gear Design Abstract UAVs in military, civil and technology plays a more and more important role. Rotor UAV has the advantages of small volume, light weight, unmanned, vertical take off and landing and hovering, good operability advantages. Design of UAV flight control system is the key and core non autonomous flight of UAV flight control system, performance directly determines the performance of rotor UAV flight and complete the task of. Therefore the development of light flight control system, low cost, low power consumption for multi rotor UAV has important theoretical and engineering application value. The landing gear four UAV as the research object, considering the friction force, lateral force and angular rate and other factors, a comprehensive analysis of the movement characteristics of the four round of UAV Ground taxiing and stress, the dynamic and kinematic equations of the four round of the UAV Ground motion. On this basis, to the whole nonlinear model simulation taxiing, take-off landing situation, the simulation results show the correctness of system model. Keywords: UAV; Flight Control Systems; Ground Motion 目 錄 1 緒論 1 2 飛控系統(tǒng) 3 2.1 整體系統(tǒng)結構 3 2.2 機載控制系統(tǒng) 4 2.2.1 飛行控制計算機 4 2.2.2 導航系統(tǒng) 5 2.2.3 超聲波測高模塊 5 2.2.4 舵機驅(qū)動模塊 6 3 地面系統(tǒng) 7 3.1 視覺處理 7 3.2 地面站 8 4 起落架的設計 10 4.1起落架的組成 10 4.1.2 減震器 10 4.1.3 收放系統(tǒng) 10 4.2 液壓系統(tǒng)的組成 11 4.2.1液壓技術的現(xiàn)狀 11 4.2.2 液壓元件 11 4.2.3 系統(tǒng)集成與控制技術 12 4.2.4 密封技術 12 4.3 液壓技術的創(chuàng)新發(fā)展 13 4.3.1液壓現(xiàn)場總線技術 13 4.3.2 液壓節(jié)能技術 14 5 電機與電氣控制電路設計 16 5.1 步進電機模塊 16 5.1.1 步進電機的工作原理 16 5.1.2 步進電機的步距角與工作拍數(shù) 19 5.1.3 步進電機的頻率特性 19 5.2 交流電機正反轉(zhuǎn)控制原理 22 5.3 交流電機的星—三角形啟動 23 5.4 電氣元件介紹 23 結論 25 參考文獻 26 致 謝 28 畢業(yè)設計（論文）知識產(chǎn)權聲明 29 畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 30 附錄 31 1 緒論 無人機即無人駕駛飛機，也稱為遙控駕駛飛行器，是機上沒有駕駛員，靠自身程序控制裝置操縱，自動飛行或者由人在地面或母機上進行遙控的無人駕駛飛行器，在它上面裝有自動駕駛儀、程序控制系統(tǒng)、遙控與遙測系統(tǒng)、自動導航系統(tǒng)、自動著陸系統(tǒng)等，通過這些系統(tǒng)實現(xiàn)遠距離控制飛行。無人機大體上由無人機載體、地面站設備(無線電控制、任務控制、發(fā)射回收等起降裝置)以及有效負荷三部分組成。由于無人機具有低成本、零傷亡、可重復使用和高機動等優(yōu)點，因此深受世界各國軍隊的廣泛歡迎，近年來得到了快速發(fā)展。 對于無人機而言，其自動飛行控制系統(tǒng)的設計是至關重要的，它的優(yōu)劣程度直接影響到無人機各項性能(包括起飛著陸性能、作業(yè)飛行性能、飛行安全可靠性能、系統(tǒng)的自動化性和可維護性等)。因此，研究無人機的自動飛行控制技術具有十分重要的現(xiàn)實意義，尤其是在軍事上的重要性己經(jīng)得到國內(nèi)外的高度重視，而無人機飛行控制系統(tǒng)是無人機能夠安全、有效地完成復雜戰(zhàn)術、戰(zhàn)略使命的基本前提，因此迫切需要加強該領域的研究工作。 我校在無人機研究方面，目前比較少"無人機作為自動化技術應用的一個高端產(chǎn)品，代表了自動化技術及其應用的發(fā)展前沿"開展無人機控制系統(tǒng)與技術的研究，無疑具有十分重要的應用價值和學術意義"自動飛行控制系統(tǒng)是無人機的大腦，無人機的幾乎所有動作都要依靠它來控制完成，因此，自動飛行控制系統(tǒng)無疑是無人機的組成核心，更是無人機控制技術的研究核心"要進行無人機控制技術的研究，一個供實驗用的硬件平臺必不可少"但是，由于此類產(chǎn)品的敏感性，能買到的無人機產(chǎn)品幾乎都是黑匣子，資料都屬保密，難以進行研究和二次開發(fā)"因此，本課題的主要目的是:構筑一個基本的自動飛行控制器的硬件實驗平臺。 無人機起初主要用于軍事用途，受到許多國家的青睞，發(fā)展迅猛，直到20世紀90年代引發(fā)了世界范圍的無人機研制熱潮，將無人機推向了多用途、綜合性的飛速發(fā)展階段。目前世界上有41個國家己使用80種不同型號的無人機，而32個國家正在發(fā)展或制造超過250種型號的無人機，其中美國、以色列研制的無人機尤為出色。 我國的無人機研究起始于20世紀六十年代，目前，國內(nèi)無人機的研究發(fā)展在總體設計、飛行控制、組合導航、中繼數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)、傳感器技術、圖像傳輸、信息對抗與反對抗、發(fā)射回收、生產(chǎn)制造和民用等諸多技術領域，同發(fā)達國家相比仍有不小差距"即使在軍用領域，我國無人機還不能很好適應高技術戰(zhàn)爭的需要。采用國外現(xiàn)成技術的途徑也不容樂觀，盡管國外有多家廠商在開發(fā)無人機，但不僅價格都很昂貴，并且由于西方對我國的技術限制并不出售，目前，只有MICROPILOT公司研制的產(chǎn)品AP50對國內(nèi)開放，但其定型較早，許多技術己明顯處于落后。 28 2 飛控系統(tǒng) 近年來國際上各種無人機技術突飛猛進，國外許多型號的無人機已經(jīng)可以參與實戰(zhàn)，比如美國的全球鷹、捕食者等。相比較而言，我國在無人機技術上仍有很大差距。作為國際無人機技術的一個縮影，國際空中機器人比賽的經(jīng)過十幾年的發(fā)展到今天，比賽水平已經(jīng)有了相當大的提高。參賽隊圍繞不斷提高的比賽目標要求，從系統(tǒng)架構到底層實現(xiàn)以及控制算法都做出了許多創(chuàng)新性的工作，有許多相關論文發(fā)表在IEEE的期刊上。 ??? 為了促進國內(nèi)對無人機技術的研究，提供一個相互競爭和學習交流的機會，培養(yǎng)高素質(zhì)的航空航天人才，中國自動化學會機器人競賽工作委員會和科技部高技術研究發(fā)展中心舉辦的中國空中機器人大賽將每年舉辦一屆。中國空中機器人大賽的口號是“自主翱翔，放飛理想”，比賽按旋翼、固定翼兩類飛行器分組進行。本文對清華大學“清揚隊”參加首屆大賽的無人直升機作一介紹。 2.1 整體系統(tǒng)結構 整個系統(tǒng)可以分為機載部分和地面部分，機載部分負責維持飛機的穩(wěn)定飛行并提供圖像信息給地面部分，地面部分根據(jù)飛機的狀態(tài)以及得到的圖像信息作出下一步飛行的目標規(guī)劃并發(fā)送給機載部分，同時為了確保安全，防止自主飛行機構失控，添加可由操作手控制的控制器，在緊急情況下切換到操作手遙控方式。地面部分與機載部分之間有兩條數(shù)據(jù)鏈路―一條負責傳送圖像；一條負責傳送飛行狀態(tài)和指令。地面部分可以分為地面站和圖像處理平臺，前者與機載飛行控制器通訊以發(fā)送控制命令并獲得飛機狀態(tài)信息，后者獲取機載攝像頭的圖像并做處理以搜尋比賽目標。具體將在后面兩部分詳述。 圖2.1? 整體系統(tǒng)結構圖 2.2 機載控制系統(tǒng) 為了完成自主飛行任務，飛機需要相關功能部件完成對飛機狀態(tài)信息的采集、對執(zhí)行部分的控制以及對地面站命令的響應等功能。在無人機上，替代飛行員或操作手完成飛行任務的自主機構包括圖像設備、飛控模塊、高度測量、舵機控制、數(shù)據(jù)鏈路以及航姿儀等，如圖2.2所示。 圖2.2? 控制系統(tǒng)模塊構成 各個模塊之間相對獨立，均可單獨完成一定的功能，模塊之間的相互連接采用總線實現(xiàn)，便于安裝和系統(tǒng)集成。雖然采用的總線是較可靠的通訊標準，但是在直升機實際飛行的環(huán)境中存在震動、電磁等干擾因素，可能影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，為了保證正確的數(shù)據(jù)傳輸，采用了兩套互為備份的總線系統(tǒng)―422總線和CAN總線。CAN總線對于數(shù)據(jù)包的傳送更為方便，克服了422總線只能采用主從模式以及工作在輪詢模式的缺點，并且具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速度。 2.2.1 飛行控制計算機 飛行控制計算機是直升機的中央控制單元，負責飛機上各個單元的協(xié)調(diào)工作，并與地面站之間進行數(shù)據(jù)傳輸。同時根據(jù)控制算法和地面站的命令，保持飛機以一定的姿態(tài)飛行。飛控計算機處理器采用德州儀器（Texas Instruments，TI）公司適用于控制的TMS320F2812 DSP，具有多路數(shù)字總線和模擬采樣通道，功耗低，運算速度足以滿足實時控制的需要。 直升機模型較為復雜，而且通道之間存在耦合，如果考慮復雜情況則控制率較難實現(xiàn)，所以采用簡單的PID控制器分通道進行控制，為了解決非線性問題，采取不同狀態(tài)下采用不同參數(shù)的控制方法。具體將飛機飛行狀態(tài)劃分為起飛、降落、懸停、向左、向右等狀態(tài)，在不同狀態(tài)下設定不同的控制目標值。例如，懸停狀態(tài)高度設定為固定值，俯仰、滾轉(zhuǎn)以及偏航的角度都設置為零，利用四個不同的控制器分通道控制，使得飛機姿態(tài)達到設定值。以偏航方向的控制為例，如圖2.3所示。 圖2.3? 偏航方向控制示意圖 2.2.2 導航系統(tǒng) 為了實現(xiàn)對直升機姿態(tài)的控制，需要有飛機各個方向的速度位置姿態(tài)信息等，慣性導航系統(tǒng)的算法通過對慣性測量單元(IMU)提供的加速度和角速度的積分，得到機體的位置、速度和姿態(tài)信息(PVA)。從硬件上來說，該模塊是實現(xiàn)了對各個加速度和角速度傳感器的信息采集，但是僅僅通過以上簡單的慣導算法本身很難得到有用的信息，慣性傳感器的漂移和定步長積分的累計誤差會使計算結果很快偏離實際值。導航系統(tǒng)必須考慮這些誤差因素并對得到的PVA結果作出修正。 圖2.4? 導航系統(tǒng)模塊 慣性導航模塊的設計目標是實現(xiàn)一個獨立的數(shù)字捷聯(lián)慣導系統(tǒng)：采集慣性敏感元件的輸出信號并進行解算，給出飛行器相對與給定坐標系的運動信息，通過總線實時地發(fā)送給飛行控制計算機。采集的傳感器信號包括三軸的加速度、角速度、地磁在三軸的分量以及GPS（全球定位系統(tǒng)）信號。通過各種傳感器信號的信息融合，可以有效提高導航系統(tǒng)的可靠性和精度。 2.2.3 超聲波測高模塊 雖然GPS系統(tǒng)或者慣導系統(tǒng)都可以提供高度信息，但是對于實現(xiàn)直升機起飛降落這樣的任務來說，這些高度信息的精度是無法滿足要求的，需要有超聲測距、紅外測距或者激光測距等高精度的距離測量方法。激光測距的精度較高，但是購買的成本較高，自主開發(fā)的難度也更大；紅外測距的作用距離有限，同樣存在著開發(fā)難度較大的問題；超聲測距結合了測量距離較遠（可測10m）以及開發(fā)難度低的優(yōu)點，因此選擇超聲高度測量方案。另外超聲波具有指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠等優(yōu)點，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。高度測量模塊的主要工作過程如下：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射回來，超聲波接收器收到反射波即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離。 2.2.4 舵機驅(qū)動模塊 舵機是無人直升機上的執(zhí)行機構，通過操縱舵機來改變主旋翼的槳葉角度和槳盤角度以及尾槳的槳葉角度，就可以控制作用于飛機上的力和力矩，從而改變機體飛行狀態(tài)。比賽用直升機仍然采用航模直升機的舵機，該舵機輸入為PWM（脈寬調(diào)制）信號，脈沖寬度對應于舵機的位置。 為了實現(xiàn)可靠的控制，防止在一定條件下飛機失控，在舵機模塊增加控制切換功能，即可以通過飛控計算機控制或者通過遙控手直接遙控。 圖2.5? 陀機驅(qū)動模塊 3 地面系統(tǒng) 地面系統(tǒng)負責與機載部分通訊，發(fā)送控制指令，接收飛機狀態(tài)信息并處理飛機發(fā)回的圖像信息。具體分為視覺處理部分以及地面站部分。 3.1 視覺處理 視覺是無人機的一個重要部分，無人機的一個重要應用―無人偵察，就是以計算機視覺為基礎。視覺程序的目的是：從直升機上面的攝像頭拍到的圖片中檢測出固定的幾類圖標的位置。整個檢測過程分為兩個階段，第一個階段從圖片中檢測出圖標所在矩形的位置，并放縮為32*32大小的標準矩形；第二個階段對這個標準矩形進行判斷，決定它是哪類圖標。三個標準圖標如圖3.1所示。 圖3.1 三個標準圖標 第一階段獲取矩形位置的流程是如下。圖3.2為攝像頭傳回的一幀圖片。 圖3.2 攝像頭傳回的一幀圖片 首先從攝像頭傳回的視頻中得到一幀圖片，將其轉(zhuǎn)換為灰度圖；然后對其進行均值濾波平滑處理，消除掉圖片上的一些雜質(zhì)；接下來進行sobel邊緣檢測，將矩形從圖像中分離出來，在邊緣檢測的同時也進行了閾值化的過程。得到區(qū)域邊緣后還需要判斷是不是矩形或者平行四邊形，只有矩形或者平行四邊形的區(qū)域可能是目標區(qū)。 第二階段需要判斷32*32大小的區(qū)域是哪一個圖標。方法是：把32*32大小的區(qū)域認為是1024的一個向量空間，事先準備好3幅標準圖標，每幅圖標有4個方向，所以一共是12類圖標，根據(jù)轉(zhuǎn)換矩陣計算每類圖標在向量空間中的位置；然后把第一階段得到的區(qū)域乘以轉(zhuǎn)換矩陣，得到它在向量空間中的位置，判斷它和那一類圖標最接近，就屬于哪一類，并計算出匹配度，匹配度低于某個值則認為是干擾目標。圖3.3為識別出的圖標，m1、m2、m3分別指出圖標屬于哪一類，59、66、77是該區(qū)域?qū)τ谀且活悎D標的匹配度。 圖3.3 識別出的圖標 3.2 地面站 無人機地面地面系統(tǒng)（簡稱地面站）是整個無人機系統(tǒng)的指揮控制中心，專門用于對無人機的地面控制與管理，無人機地面站是在現(xiàn)代無人機的發(fā)展和應用過程中逐步提出的。為了更好的監(jiān)視無人機的飛行狀況并對無人機進行遙控，人類設計了各種類型的地面站，來輔助操作員對無人機的各種飛行數(shù)據(jù)和任務設備狀況的進行實時的監(jiān)控，以便在一些應急情況發(fā)生時能夠及時的采取相應處理措施來保證無人機的安全。地面站硬件部分一般包含有地面站計算機、通信數(shù)據(jù)鏈和輔助操控手柄等設備。由于地面站系統(tǒng)能在飛行期間根據(jù)環(huán)境的變化實時改變預定的任務計劃，從而有效的提高了無人機執(zhí)行實際任務的能力。 地面控制站程序的作用是觀察飛機的各項飛行信息，包括GPS信息、飛機狀態(tài)信息、飛行航跡信息等，并可以發(fā)送命令對其進行控制。地面站和飛機之間的通訊遵循設定好的測控協(xié)議。 圖3.4? 地面站界面 左邊空白處的文字是顯示飛機發(fā)送回來的GPS信息和三軸線加速度、角速度信息。 界面右邊的各項文字、儀表顯示了飛機的各種狀態(tài)信息，可以用于分析飛機的運行情況，其中右中的4個操縱桿可以給飛機設定升降舵、方向、風門、副翼四個參量。界面下方的按鈕群是主要的操作部分，可以通過點擊相應按鈕進行各種操作。界面最底下的一欄是狀態(tài)欄，顯示了一些程序運行的信息。 地面站和視覺程序結合起來，利用飛機當前的高度、航向以及飛機所處的位置，可以計算出圖標的實際經(jīng)緯度信息，這也是比賽的最終要求。 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 4 起落架的設計 4.1起落架的組成 起落架（Undercarriage）是航空器下部用于起飛降落或地面（或水面）滑行時支撐航空器并用于地面（或水面）移動的附件裝置。起落架是唯一一種支撐整架飛機的部件，因此它是飛機不可分缺的一部份；沒有它，飛機便不能在地面移動。當飛機起飛后，可以視飛機性能而收回起落架。 在過去，由于飛機的飛行速度低，對飛機氣動外形的要求不十分嚴格，因此飛機的起落架都由固定的支架和機輪組成，這樣對制造來說不需要有很高的技術。當飛機在空中飛行時，起落架仍然暴露在機身之外。隨著飛機飛行速度的不斷提高，飛機很快就跨越了音速的障礙，由于飛行的阻力隨著飛行速度的增加而急劇增加，這時，暴露在外的起落架就嚴重影響了飛機的氣動性能，阻礙了飛行速度的進一步提高。 因此，人們便設計出了可收放的起落架，當飛機在空中飛行時就將起落架收到機翼或機身之內(nèi)，以獲得良好的氣動性能，飛機著陸時再將起落架放下來。然而，有得必有失，這樣做的不足之處是由于起落架增加了復雜的收放系統(tǒng)，使得飛機的總重增加。但總的說來是得大于失，因此現(xiàn)代飛機不論是軍用飛機還是民航飛機，它們的起落架絕大部分都是可以收放的，只有一小部分超輕型飛機仍然采用固定形式的起落架（如蜜蜂系列超輕型飛機）。 4.1.2 減震器 飛機在著陸接地瞬間或在不平的跑道上高速滑跑時，與地面發(fā)生劇烈的撞擊，除充氣輪胎可起小部分緩沖作用外，大部分撞擊能量要靠減震器吸收。現(xiàn)代飛機上應用最廣的是油液空氣減震器。當減震器受撞擊壓縮時，空氣的作用相當于彈簧，貯存能量。而油液以極高的速度穿過小孔，吸收大量撞擊能量，把它們轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使飛機撞擊后很快平穩(wěn)下來，不致顛簸不止。 4.1.3 收放系統(tǒng) 收放系統(tǒng)一般以液壓作為正常收放動力源，一般前起落架向前收入前機身，而某些重型運輸機的前起落架是側(cè)向收起的。主起落架收放形式大致可分為沿翼展方向收放和翼弦方向收放兩種。收放位置鎖用來把起落架鎖定在收上和放下位置，以防止起落架在飛行中自動放下和受到撞擊時自動收起。對于收放系統(tǒng)，一般都有位置指示和警告系統(tǒng)。 4.2 液壓系統(tǒng)的組成 4.2.1液壓技術的現(xiàn)狀 20世紀是液壓技術快速發(fā)展的一個世紀。從20世紀初的礦物油作為動力傳遞介質(zhì)概念的引入，到柱塞泵、三大類閥的發(fā)明，到四、五十年代電液伺服閥的發(fā)明和電液伺服控制理論的確立，再到1970年代插裝閥及比例閥的發(fā)明，這些都是液壓技術領域極具革命性的技術進步。經(jīng)過將近一個世紀的發(fā)展，液壓技術在機械結構及流體原理方面已很少再有創(chuàng)新。但液壓技術卻從與之相關的技術中得益良多。正如1998年德國國際流體技術年會(IFK)上引用的數(shù)據(jù)表明：近20年來，液壓技術的發(fā)展來源于自身的科研成果僅約20％，來源于其他領域的發(fā)明占50％，移植其他技術成果占30％。 液壓技術正是在汲取與其相關技術并與替代性技術的競爭中得以發(fā)展的?？梢哉f，電氣傳動與機械傳動不單純是與液壓技術相競爭的技術，其互相的融合也正是技術發(fā)展、完善的一種方向。就目前而言，液壓技術主要在以下領域中擁有不可替代的作用：需要大功率傳遞、要求功率重量比大的場合；需要高動態(tài)響應的場合。下面從液壓元件、系統(tǒng)集成與控制、密封技術等方面分別闡述液壓技術的現(xiàn)狀。 液壓傳動是以流體作為工作介質(zhì)對能量進行傳動和控制的一種傳動形式。利用有壓的液體經(jīng)由一些機件控制之后來傳遞運動和動力。因而在工程機械、冶金、軍工、農(nóng)機、汽車、輕紡、船舶、石油、航空和機床行業(yè)中，液壓技術得到了普遍的應用。隨著原子能、空間技術、電子技術等方面的發(fā)展，液壓技術向更廣闊的領域滲透，發(fā)展成為包括傳動、控制和檢測在內(nèi)的一門完整的自動化技術?，F(xiàn)今，液壓技術是實現(xiàn)現(xiàn)代化傳動與控制的關鍵技術之一，世界各國對液壓工業(yè)的發(fā)展都很重視，所以采用液壓傳動的程度已成為衡量一個國家工業(yè)水平的重要標志之一。如發(fā)達國家生產(chǎn)的95%的工程機械、90%的數(shù)控加工中心、95%以上的自動線都采用了液壓傳動。 4.2.2 液壓元件 液壓元件近年來的主要成果： （1）元件的小型化、模塊化元件的小型化，如電磁閥的驅(qū)動功率逐漸減小，從而適應電子器件的直接控制，同時也節(jié)省了能耗。元件的功能日益復合，如螺紋插裝閥的大量運用，使系統(tǒng)的功能拓展更靈活。 （2） 節(jié)能化變量泵在國外的研發(fā)已日趨成熟。目前，恒壓變量、流量壓力復合控制，恒功率比例伺服控制等技術已被廣泛地集成到柱塞泵上。節(jié)能、減少系統(tǒng)發(fā)熱已成為系統(tǒng)設計時必須考慮的問題之一。值得一提的是變頻調(diào)速技術得到了足夠的重視。 4.2.3 系統(tǒng)集成與控制技術 （1）比例閥技術 比例閥的發(fā)展主要在頻寬的增大及控制精度的提高上，以期性能接近伺服閥。同時，比例閥又沿著標準化、模塊化及廉價的方向發(fā)展，以促進其應用。前者如Bosch 的帶位置反饋的比例伺服閥，其性能已很接近電液伺服閥的性能。后者如螺紋插裝式比例閥，在某些工程機械中得到了運用。 （2）電液伺服技術 電液伺服閥是最早將液壓技術引入自動控制領域的功臣。但電液伺服閥的結構自發(fā)明以來，就少有改進。除了在傳統(tǒng)的需要特別高頻響的場合外，其傳統(tǒng)地位正日益受比例技術的挑戰(zhàn)。MOOG 公司也開始生產(chǎn)與比例閥類似的采用永磁式線性力馬達的直接驅(qū)動式伺服閥（DDV）。 （3）控制理論 控制理論是該領域最為活躍的一個分支。液壓控制系統(tǒng)正從不斷發(fā)展的自動控制理論中得益，并不斷豐富自控理論的實踐。目前，自適應控制、魯棒控制、模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡控制等均得到了不同程度的運用。 4.2.4 密封技術 自從液壓技術誕生以來，泄漏一直是困擾著業(yè)界人士的一大難題。伴隨著泄漏的是：礦物油的浪費及對環(huán)境的污染、系統(tǒng)傳動效率的降低等等。在靜密封領域，橡膠類密封件擁有不可替代的地位，當然，根據(jù)應用場合（如溫度）的不同，又有丁腈橡膠及氟橡膠之分。在動密封領域，聚四氟乙烯（PTFE）已擁有不可動搖的地位。近年來，密封技術的進步也主要集中在PTFE 的使用方面。隨著對材料及密封機理的深入了解，已可以在PTFE 中有針對性的添加某些材料以達到提高性能的要求。國外許多大的密封件公司均有針對不同應發(fā)已日趨成熟。目前壓變量、流量壓力復合控制，恒功率、比例伺服控制等技術已被廣泛地集成到柱塞泵上。節(jié)能、減少系統(tǒng)發(fā)熱已成為系統(tǒng)設計時必須考慮的問題之一。值得一提的是變頻調(diào)速技術得到了足夠的重視。采用定量泵變轉(zhuǎn)速的方案是與恒轉(zhuǎn)速變量泵相異的種思路。目前的研究尚處于初步階段。 （1） 新材料的應用 新材料如陶瓷技術的使用是與非礦物油介質(zhì)元件的要求及提高摩擦副的壽命聯(lián)系在一起的。目前，已有德、英、芬蘭等國的廠商在純水液壓件上使用了該項技術。新型磁性材料的運用是與電磁閥、比例閥的性能提高結合在一起的。由于磁通密度的提高，可以使閥的推力更大，其直接作用便是閥的控制流量更大，響應更快，工作更可靠。 （2）環(huán)保 環(huán)保的要求體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)的人文關懷。環(huán)保的液壓元件應當至少無泄漏及低噪聲，這也是液壓元件發(fā)展的一個永恒的主題。 （3）非礦物油介質(zhì)元件 非礦物油介質(zhì)元件是應用于特殊場合的元件，如要求耐燃、安全、衛(wèi)生，此時就需要考慮采用高水基或純水元件。能源危機催生了該類元件的誕生，但目前的發(fā)展動力可能更大程度上與環(huán)保、工作介質(zhì)的廉價及其安全性相關。目前，丹麥的Danfoss 公司提供了成套的NESSIE系列純水液壓元件，已在食品等行業(yè)得到了運用。 4.3 液壓技術的創(chuàng)新發(fā)展 4.3.1液壓現(xiàn)場總線技術 液壓現(xiàn)場現(xiàn)場總線是連接智能化儀表和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字式、雙向傳輸 、多分支結構的通信網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)簡化為工作站和現(xiàn)場設備兩層結構，它可以看作是一個由數(shù)字通訊設備；和監(jiān)控設備組成的分布式系統(tǒng)從計算機角度看，現(xiàn)場總線是一種工業(yè)網(wǎng)絡平臺；從通信角度看，它是一種新的全數(shù)字串行、雙向、多路設備的通信方式；從工程角度看，它是一種工廠結構化布線。隨著現(xiàn)代制造技術的快速發(fā)展，流體控制技術和電子控制技術的結合越來越緊密，在液壓領域越來越多的人開始使用或關注總線技術在液壓系統(tǒng)中的應用，液壓技術人員也越來越感受到現(xiàn)場總線技術的優(yōu)越性。液壓系統(tǒng)是在液壓總線的供油路和回油路間安裝數(shù)個開關液壓源，與其各自的控制閥、執(zhí)行器相連接。開關液壓源包括液感元件、高速開關閥、單向閥、液容元件。根據(jù)開關液壓源功能不同，它可組合成升壓或降壓增流型開關液壓源。由于將開關源的輸入端直接掛在液壓總線上，通過高速開關方式加以升壓或降壓增流。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)無法實現(xiàn)升壓以及降壓增流的問題，最終輸出與各執(zhí)行器需求相適應的壓力和流量。 現(xiàn)場總線技術在液壓系統(tǒng)應用中也能具有以下特點： (1) 經(jīng)濟性。任何一種新技術新產(chǎn)品的開發(fā)與使用，其成本是首先需要考慮的因素之一，總線技術也不例外。設計開發(fā)總線技術產(chǎn)品的初衷之一就是降低系統(tǒng)及工程成本。所以，應用單位使用總線產(chǎn)品和供應商提供產(chǎn)品的第一前提應該是以降低總線系統(tǒng)的使用成本為目的。 (2) 按I E C 6 1 1 3 1 — 3標準的柔性化程序，易學、易懂，可操作性強。 (3) 可靠性、可維護性?，F(xiàn)場總線技術采用總線代替一對一的 I ／ O連線。對于大規(guī)模 I ／ O系統(tǒng)來說，減少了由接線點造成的不可靠因素，同時系統(tǒng)具有在線故障診斷，報警記錄功能；可完成現(xiàn)場液壓系統(tǒng)的遠程參數(shù)設定 、 修改等參數(shù)化工作，增強了系統(tǒng)的可維護性。 (4) 友好的人機對話界面，可方便進行液壓系統(tǒng)的參數(shù)修改和故障監(jiān)控。 (5) 滿足所有有關人身安全 、電磁兼容、抗沖擊及抗震動的重要標準。 (6) 相對于傳統(tǒng)的液壓比例控制系統(tǒng)更具有其價格競爭優(yōu)勢。 4.3.2 液壓節(jié)能技術 液壓傳動系統(tǒng)能量損失包括各元件中運動件的機械摩擦損失 、泄漏損失溢流損失、節(jié)流損失、輸入和輸出功率不匹配的無功損失幾方面。機械摩擦損失、泄漏損失所占比例與所選元件本身的機械效率 、容積效率 、介質(zhì)粘度、回路密封性以及系統(tǒng)組成的復雜程度有關；溢流損失、節(jié)流損失所占比例與回路和控制形式有關；而輸入和輸出功率不匹配的無功損失所占比例與控制策略有關。因此節(jié)能是液壓技術的重要課題之一，隨著節(jié)能和環(huán)保要求的日益高漲，有效活用能源和降低噪聲已成為液壓行業(yè)的重要目標。綜觀國內(nèi)外液壓技術發(fā)展歷程，無時無刻不伴隨節(jié)能的需要及創(chuàng)新。 (1) 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)。二次調(diào)節(jié)靜液傳動系統(tǒng)由恒壓油源、二次元件(液壓泵／ 馬達)、工作機構和控制調(diào)節(jié)機構等組成。二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)是工作于恒壓網(wǎng)絡的壓力耦聯(lián)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)二次元件斜盤傾角來改變二次元件排量，以適應負載轉(zhuǎn)矩的變化，使負載按設定的規(guī)律變化。系統(tǒng)中的壓力基本保持不變，二次元件直接與恒壓油源相連，在系統(tǒng)中沒有原理性節(jié)流損失，從而提高了系統(tǒng)效率。另外，蓄能器的加入，不但抑制了壓力限制元件發(fā)熱所引起的功率損耗。而且還通過回收 、釋放液壓能有效提高液壓系統(tǒng)的工作效率。 (2) 電液負載感應系統(tǒng)。負載感應就是將變化的負載壓力反饋到壓力補償裝置或液壓泵的變量調(diào)節(jié)機構 ，使液壓系統(tǒng)壓力 與負載壓力相適應 ，消除了系統(tǒng)壓力過剩，由于負載感應裝置與變量泵的變量調(diào)節(jié)機構聯(lián)系在一起，使變量泵的流量 與負載流量相適應，系統(tǒng)不會產(chǎn)生過剩流量。 (3) 定量泵加變頻調(diào)速電機電液系統(tǒng)。交流變頻調(diào)速液壓系統(tǒng)避免節(jié)流損耗和溢流損耗，另外，交流變頻調(diào)速液壓系統(tǒng)還大大提高了原動機——異步電動機的效率，并顯著改善功率因數(shù)，是其它液壓調(diào)速方式所無法比擬的。利用變頻器改變泵的轉(zhuǎn)速，使泵的輸出流量與系統(tǒng)所要求相適應，可以使溢流損失降至最低，有效地節(jié)約了能量。交流變頻調(diào)速液壓系統(tǒng)在大功率間歇運動的調(diào)速系統(tǒng)中，其優(yōu)越性更為顯著。 (4) 盡可能地節(jié)省空間。采用無油壓控制閥可以減少系統(tǒng)裝置空間，依據(jù)閉回路的構成使油箱小型化，減少發(fā)熱量從而不須使用冷卻器。例如，采用伺服馬達使液壓泵正反轉(zhuǎn)向，不必使用方向、流量 、壓力控制閥也能達到控制的效果。采用閉回路系統(tǒng)，可以自我形成油量補償機能，混合式伺服系統(tǒng)可以使油箱控制在儲存最小作動油的狀態(tài)下作功，體現(xiàn)油箱小型化的優(yōu)點。由于只在需要時使液壓泵輸出必要的流量，從而將發(fā)熱源控制降至最低，也就無需再加裝冷卻器。因為不需冷卻水的循環(huán)以及減少作動油的消費量，所以也能節(jié)省資源。另外，降低噪聲也依然重要。 (5) 一體化構造。將液壓泵 、馬達、油箱、油量補償回路構成為一體，形成無配管的一體構造。 (6) 省電節(jié)能的液壓系統(tǒng)設計。高的響應速度、高的控制精度和重復精度的比例閥、比例泵、伺服閥的應用；由轉(zhuǎn)速叮調(diào)的伺服電機+柱塞泵、伺服馬達螺桿驅(qū)動、蓄能器 +高速伺服組成閉環(huán)同路控制油電式高速注塑機液壓系統(tǒng)設計和應用。有高低壓雙聯(lián)或多聯(lián)式泵、變量泵、蓄壓器系統(tǒng)等的推出：針對閥控電液系統(tǒng)有較大能量損失的問題，推出了泵和電液比例閥結合的負載感應型，泵和比例壓力、比例流量控制閥結合的注塑機電液控制系統(tǒng)。 5 電機與電氣控制電路設計 5.1 步進電機模塊 步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應角位移或線位移的電動機，它的運行需要專門的驅(qū)動電源，驅(qū)動電源的輸出受外部的脈沖信號控制。每一個脈沖信號可使步進電機旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，這個角度稱為步距角。脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度，脈沖的頻率決定了電動機旋轉(zhuǎn)的速度，改變繞組的通電順序可以改變電機旋轉(zhuǎn)的方向。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，它既可以用作驅(qū)動電動機，也可以用作伺服電動機。它在工業(yè)過程控制中得到廣泛的應用，尤其在智能儀表和需要精確定位的場合應用更為廣泛。 圖5.1 三相反應式步進電機工作原理圖 5.1.1 步進電機的工作原理 通常電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉(zhuǎn)動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉(zhuǎn)動。 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。 目前,生產(chǎn)步進電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況，我們決定以廣泛的感應子式步進電機為例。 步進電機是機電一體化的關鍵部件之一，被廣泛應用于需要精確定位、同步、行程控制等場合。 1、 步進電動機有三線式、五線式、六線式三種，但其控制方式均相同，必須以脈沖電流來驅(qū)動。若每旋轉(zhuǎn)一圈以200 個勵磁信號來計算，則每個勵磁信號前進18 度，其旋轉(zhuǎn)角度與脈沖數(shù)成正比，正、反轉(zhuǎn)可由脈沖順序來控制。 二、步進電動機的勵磁方式可分為全部勵磁及半步勵磁，其中全步勵磁又有1相勵磁及2 相勵磁之分，而半步勵磁又稱1-2 相勵磁。圖為步進電動機的控制等效電路，適應控制A、B、/A、/B 的勵磁信號，即可控制步進電動機的轉(zhuǎn)動。每輸出一個脈沖信號，步進電動機只走一步。因此，依序不斷送出脈沖信號，即可步進電動機連續(xù)轉(zhuǎn)動。 分述如下： A、1 相勵磁法：在每一瞬間只有一個線圈導通。消耗電力小，精確度良好，但轉(zhuǎn)矩小，振動較大，每送一勵磁信號可走1.8 度。若欲以1 相勵磁法控制步進電動機正轉(zhuǎn)，其勵磁順序如圖所示。若勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉(zhuǎn)。 表5.1 勵磁順序：A→B→C→D STEP A B C D 1 1 0 0 0 2 0 1 0 0 3 0 0 1 0 4 0 0 0 1 B、2 相勵磁法：在每一瞬間會有二個線圈同時導通。因其轉(zhuǎn)矩大，振動小，故為目前用最多的勵磁方式，每送一勵磁信號可走1.8 度。若以2 相勵磁法控制步進電動機正轉(zhuǎn)，其勵磁順序如圖所示。若勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉(zhuǎn)。 表5.2 勵磁順序：AB→BC→CD→DA→AB STEP A B C D 1 1 1 0 0 2 0 1 1 0 3 0 0 1 1 4 1 0 0 1 C、1-2 相勵磁法：為1 相與2 相輪流交替導通。因分辨率提高，且運轉(zhuǎn)平滑，每送一勵磁信號可走0.9 度，故亦廣泛被采用。若以1 相勵磁法控制步進電動機正轉(zhuǎn)，其勵磁順序如圖所示。若勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉(zhuǎn)。 表5.3 磁順序： A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A STEP A B C D 1 1 0 0 0 2 1 1 0 0 3 0 1 0 0 4 0 1 1 0 5 0 0 1 0 6 0 0 1 1 7 0 0 0 1 8 1 0 0 1 D、步進電動機的負載轉(zhuǎn)矩與速度成反比，速度愈快負載轉(zhuǎn)矩愈小，當速度快至其極限時，步進電動機即不再運轉(zhuǎn)。所以在每走一步后，程序必須延時一段時間。 下面介紹的是國產(chǎn)20BY-0型步進電機，它使用+5V直流電源，步距角為18度。電機線圈由四相組成，即A、B、C、D四相，驅(qū)動方式為二相激磁方式，電機示意圖和各線圈通電順序如圖5.3和表5.2 表5.4 線圈通電順序 相順序 A B C D 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 2 0 0 1 1 3 1 0 0 1 圖5.3 步進電機原理圖 相順序從0到1稱為一步，電機軸將轉(zhuǎn)過18度，0à1à2à3à4則稱為通電一周，轉(zhuǎn)軸將轉(zhuǎn)過72度，若循環(huán)進行這種通電一周的操作，電機便連續(xù)的轉(zhuǎn)動起來，而進行相反的通電順序如4à3à2à1將使電機同速反轉(zhuǎn)。通電一周的周期越短，即驅(qū)動頻率越高，則電機轉(zhuǎn)速越快，但步進電機的轉(zhuǎn)速也不可能太快，因為它每走一步需要一定的時間，若信號頻率過高，可能導致電機失步，甚至只在原步顫動。 5.1.2 步進電機的步距角與工作拍數(shù) 對于一個步進電機，如果它的轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為，它的齒距角為，而步進電機運行k拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距位置。實際上步進電機每一拍就執(zhí)行一次步進，所以步進電機的步距角可以表示如下： (5.1) 或 (5.2) 其中：k是步進電機工作拍數(shù)，是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。 例如：對于三相反應式步進電機而言，工作方式有三拍和六拍之分。三拍就是在轉(zhuǎn)動一個齒距時換相三次；六拍則是換相六次。而在三拍方式中還有單三拍和雙三拍之分。從公式(5.2)可知：為了使步進電機工作的步距角減小，也即：使控制精度增高，步進電機在相數(shù)一定的情況下應增加工作拍數(shù)。 5.1.3 步進電機的頻率特性 進電機起動后，當控制脈沖頻率連續(xù)上升而維持不失步的最高頻率，稱為運行頻率。通常給出的也是空載情況下的運行頻率。當電機帶羊一定的負載運行時，運行頻率與負載轉(zhuǎn)矩大小有關，兩者的關系稱為運行矩頻特性，在技術數(shù)據(jù)中通常也是發(fā)表格或曲線形式表示。提高運行頻率對于提高生產(chǎn)率和系統(tǒng)的快速性具有很大的實際意義。由于運行頻率比起動頻率要高得多，所以使用時常通過自動升、降頻控制線路先在低頻（不大于起動頻率）下使電機起動，然后逐漸升頻到工作頻率使電機處于連續(xù)運行，升頻時間一般不大于1秒。 對應于三相，五相一樣，只是有的廠家把三相或者五相的電機驅(qū)動器的計算轉(zhuǎn)換成兩相的了（如本身是三相電機，機械上是300齒，步距角是1.2度，驅(qū)動器本該接受300個脈沖帶動電機旋轉(zhuǎn)一圈，但若驅(qū)動器軟件本身作了處理，則還是200個脈沖一圈），這樣便于統(tǒng)一計算。 進電機起動后，當控制脈沖頻率連續(xù)上升而維持不失步的最高頻率，稱為運行頻率。通常給出的也是空載情況下的運行頻率。當電機帶羊一定的負載運行時，運行頻率與負載轉(zhuǎn)矩大小有關，兩者的關系稱為運行矩頻特性，在技術數(shù)據(jù)中通常也是發(fā)表格或曲線形式表示。提高運行頻率對于提高生產(chǎn)率和系統(tǒng)的快速性具有很大的實際意義。由于運行頻率比起動頻率要高得多，所以使用時常通過自動升、降頻控制線路先在低頻（不大于起動頻率）下使電機起動，然后逐漸升頻到工作頻率使電機處于連續(xù)運行，升頻時間一般不大于1秒。 對應于三相，五相一樣，只是有的廠家把三相或者五相的電機驅(qū)動器的計算轉(zhuǎn)換成兩相的了（如本身是三相電機，機械上是300齒，步距角是1.2度，驅(qū)動器本該接受300個脈沖帶動電機旋轉(zhuǎn)一圈，但若驅(qū)動器軟件本身作了處理，則還是200個脈沖一圈），這樣便于統(tǒng)一計算。 對于反應式步進電機，在其繞組中通電的相序不同時，步進電機的旋轉(zhuǎn)方向和步進精度有所不同。步進電機對繞組的通電頻率有一定的要求。如果通電頻率過高，超過步進電機的最大步進速度，就會產(chǎn)生失步。一般步進電機的通電頻率，即起動頻率為 ?50步／秒到2000步／秒。步進電機的頻率特性曲線，是步進電機的工作頻率及其對應轉(zhuǎn)動力矩所作出的曲線，典型的步進電機頻率特性曲線如圖2所示。步進電機的頻率特性曲線和很多因素有關，這些因素包括步進電機的轉(zhuǎn)子直徑、轉(zhuǎn)子鐵心有效長、.控制線路的電壓、齒數(shù)、齒形、齒槽比、步進電機內(nèi)部的磁路、繞組的繞線方式、定轉(zhuǎn)子間的氣隙、轉(zhuǎn)動一個齒距所需的拍數(shù)等。在使用中會影響到步進電機頻率特性而又能由用戶確定的因素有：控制拍數(shù)、控制線路的電壓、線路時間常數(shù)等。 下面分析這幾種因素對步進電機頻率特性的影響。 (1)工作方式對頻率特性的影響 在步進電機應用中，它的工作方式是以一個齒距所用的拍數(shù)來表示的。拍數(shù)本質(zhì)上也就是轉(zhuǎn)動一個齒距所需的電源電壓換相次數(shù)，值得指出的是換相是指對步進電機各相繞組進行轉(zhuǎn)換，而電源電壓是單極性的固定的。一般而言反應式電機拍數(shù)越多矩頻特性就越好。因此設計中應選擇多拍的控制方式。 (2)線路時間常數(shù)對頻率特性的影響 步進電機的每相繞組供電都是通過功率開關電路進行的。步進電機一相繞組的開關電路如圖3.2所示。其中L為步進電機繞組電感；為繞組電阻；為晶體管T的集電極電阻；D是續(xù)流二極管，它為繞組放電提供回路；晶體管T是大功率開關管。也是個外接的功率電阻，它是一個消耗性負載，一般為數(shù)歐姆。這時線路的時間常數(shù)為： （5.3） 其中：L單位為亨，、單位為歐姆，單位為秒。 圖5.4 步進電機一線繞組的開關回路 開關回路時間常數(shù)對注入電機繞組的電流達到穩(wěn)定值的時間有極大關系，它影響到步進電機的工作頻率。并且有：越小，電流達穩(wěn)定時間小，相應電機工作頻率高；反之，越大，電流達穩(wěn)定時間長，電機工作頻率低。 從式(5.3)可知：要減少，可以采用增大Rc的辦法。但是，增大Rc時，又會使穩(wěn)態(tài)電流值減小，從而影響電機的力矩。為了減少 ，而不使穩(wěn)態(tài)電流減小，可采用在增大Rc的同時，也提高供電電壓的辦法。 在高頻應用中，要盡量減小 以改善步進的特性，所以常在開關回路中采用較大的Rc，同時也提高回路的電源電壓U。但這樣也會使效率降低，在低頻段工作時也會使步進電機的振蕩加劇。在實際中，可根據(jù)客觀情況來考察選擇恰當?shù)耐獠侩娮鑂c，使步進電機處于合適的工作頻率狀態(tài)。 (3)開關回路電壓對頻率的影響 在一般應用中，開關電路的脈寬和流人繞組的電流的最大值，必定會隨開關電路換相頻率的提高而相應減小。開關電路產(chǎn)生的控制電壓是以矩形波方式加在繞組上的。隨著換相頻率的提高，矩形脈沖電壓波頻率相應提高，這樣，矩形脈沖電壓的寬度和周期也就會變小，當矩形脈沖電壓窄到一定程度，流入電機繞組的電流就無法達到穩(wěn)定值I ，步進電機就難以步進工作了。為了保證在矩形脈沖電壓相當窄時，也即頻率足夠高時，步進電機仍能正常步進工作，可以提高開關回路的電壓。 開關回路加到繞組的是矩形脈沖電壓，故電流也是脈沖。在步進電機中要設法增大起動電流，以提高步進電機轉(zhuǎn)動力矩，即提高其工作頻率。由于步進電機是感性負載，所以進入繞組的電流脈沖是以指數(shù)形式上升，即這時電流脈沖i為： （5.4） 其中：i是電流脈沖瞬時值； 是在開關回路電壓為u時的電流穩(wěn)態(tài)值； 是開關回路的時間常數(shù)， 綜上所述，本設計選用三相步進反應式電機，采用運行中根據(jù)工作頻率對電源電壓升壓補償?shù)目刂品椒ā? 5.2 交流電機正反轉(zhuǎn)控制原理 在生產(chǎn)實踐過程中，常要求用一臺電動機的正反轉(zhuǎn)控制方向相反的兩個運動，如小車的左行、右行；機械手的上升、下降等。 本設計對交流電機的正反轉(zhuǎn)控制的電氣原理圖如下所示： 圖5.5 交流電機正反轉(zhuǎn)控制的電氣原理圖 要實現(xiàn)三相鼠籠型異步電動機的正反轉(zhuǎn)控制，只要把三相線當中的任意兩相調(diào)換一下位置就可以了。如圖4.4所示：假如接觸器KM1閉合時電動機正轉(zhuǎn)，則當接觸器KM1斷開，接觸器KM2閉合時，電動機就會反轉(zhuǎn)。從圖中我們可以看出：要改變?nèi)嘟涣麟姍C的旋轉(zhuǎn)方向，只需要任意交換其中兩相就可以達到目的。圖中各元器件的作用如表所示： 表5.5 元器件作用列表 連接的外部設備 功能說明 SB1 停止命令 SB2 電機正轉(zhuǎn)命令 SB3 電機反轉(zhuǎn)命令 FR常開 電動機過載保護 KM1 控制電機正轉(zhuǎn) KM2 控制電機反轉(zhuǎn) 5.3 交流電機的星—三角形啟動 對于正常運行時定子繞組接成三角形的鼠籠型異步電動機，在啟動時，為了保護電動機，一般采用Y/△降壓啟動方法來達到限制啟動電流的目的。Y/△降壓啟動的原理如圖1所示：在啟動過程中將電動機定子繞組接成星形，即接觸器KMY閉合。此時電動機每相繞組承受的電壓為額定電壓的，啟動電流為三角形接法時啟動電流的1/3。接觸器KMY閉合的同時定時器開始定時，定時時間到，接觸器KMY斷開，接觸器KM△閉合。電動機繞組為三角形接法，進入正常運行階段。 控制電路要有自鎖、互鎖、定時等常用電路，要求合上啟動（正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)）按鈕后，電機先作星型連接啟動，經(jīng)延時6秒后自動換接到三角形連接運轉(zhuǎn)。按下停止，電機停轉(zhuǎn)。按下反轉(zhuǎn)按鈕后，進行反轉(zhuǎn)的Y/△啟動。要求正反轉(zhuǎn)互鎖、Y/△互鎖。 5.4 電氣元件介紹 （1）繼電器 繼電器是根據(jù)某種輸入信號來接通或斷開小電流控制電路，實現(xiàn)遠距離控制和保護的自動控制電器。其輸入量可以是電流、電壓等電量。也可以的溫度、時間、速度、壓力等非電量，而輸出則是觸頭的動作或者是電路參數(shù)的變化。 繼電器的種類很多,按輸入信號的性質(zhì)分為：電壓繼電器、電流繼電器、時間繼電器、溫度繼電器、速度繼電器、壓力繼電器等。按工作原理分為：電磁式繼電器、感應式繼電器、電動式繼電器、熱繼電器、電子式繼電器等。按輸出形式分為：有觸點和無觸點兩類。本設計主要用電磁繼電器、時間繼電器、熱繼電器等。 （2）接觸器 接觸器是用來接通或分斷電動機主電路或其他負載電路的控制電器。用它可以實現(xiàn)頻繁的遠距離自動控制，接觸器最主要的用途是控制電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、制動和調(diào)速等。因此它是電力拖動控制系統(tǒng)中最重要的控制電器之一。它具有低電壓釋放保護功能。它具有比工作電流大數(shù)倍乃至十幾倍的接通和分斷能力，但不能分斷短路電流。它是一種執(zhí)行電器，即使在先進是可編程控制器應用系統(tǒng)中.它一般也不能被取代。 接觸器種類很多，按驅(qū)動力不同分為電磁式、氣動式、和液壓式，以電磁式應用最廣泛。 （3） 熔斷器 熔斷器基于電流熱效應原理和發(fā)熱元件熱熔斷原理設計，具有一定的瞬動特性，用于電路的短路保護和嚴重過載保護。它具有結構簡單、體積小、使用維護方便、分斷能力較高、限流性能良好等特點，以內(nèi)功用十分廣泛。 熔斷器在結構上主要由熔斷管(或蓋、或座) 、熔體及導電部件等部分組成。其中熔體是主要部分，它既是感測元件又是執(zhí)行元件。熔斷管的作用是便于安裝熔體和有利于熔體熔斷時熄滅電弧。 （4） 行程開關 行程開光又稱限位開關，是一種利用生產(chǎn)機械某些運動部件的碰撞來發(fā)出控制命令的主令電器。用于控制生產(chǎn)機械的運動方向、速度、行程大小或位置的一種自動控制器件。行程開關廣泛應用于各類機床、起重機械以及輕工機械的行程控制。當生產(chǎn)機械運動到某一預定位置時，行程開關通過機械可動部分的動作，將機械信號轉(zhuǎn)換為電信號，以實現(xiàn)對生產(chǎn)機械的控制，限制它們的動作和位置，借此對生產(chǎn)機械給以必要的保護。 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 結論 近十余年來，由于液壓技術借助微電子技術，大力發(fā)展電液傳動與控制，使液壓技術產(chǎn)生新的活力。液壓技術的主要競爭者是機械傳動和電氣傳動，只要沿著機電一體化方向走下去，并不斷跟蹤和移植信息技術，計算機技術、摩擦磨損技術、潤滑技術、自動控制技術以及新材料新工藝等的成果，充分發(fā)揮液壓技術功率密度大等優(yōu)點，克服漏油和噪聲大等缺點，液壓技術作為現(xiàn)代傳動與控制的重要組成部分，將不