帶機(jī)械爪的無人機(jī)設(shè)計與控制【全套含CAD圖紙、說明書】
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編號:
畢業(yè)設(shè)計開題報告
題 目: 帶機(jī)械抓的無人機(jī)
設(shè)計與控制
院 (系): 機(jī)電工程學(xué)院
專 業(yè):機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)生姓名:
學(xué) 號:
指導(dǎo)教師單位:
姓 名:
職 稱:
題目類型:¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設(shè)計 ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開發(fā)
年3月1日
1.畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容、重點和難點等
主要內(nèi)容:
無人駕駛飛機(jī)簡稱“無人機(jī)”,英文縮寫為“UAV”,是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。從技術(shù)角度定義可以分為:無人直升機(jī)、無人固定翼機(jī)、無人多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機(jī)等。
無人機(jī)按應(yīng)用領(lǐng)域,可分為軍用與民用。軍用方面,無人機(jī)分為偵察機(jī)和靶機(jī)。
無人機(jī)+行業(yè)應(yīng)用,是無人機(jī)真正的剛需;目前在航拍、農(nóng)業(yè)植保、測繪、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用,大大的拓展了無人機(jī)本身的用途。
本次設(shè)計主要針對無人機(jī)在抓取、運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用和擴(kuò)展。
本課題設(shè)計的主要內(nèi)容包括:
1.設(shè)計無人機(jī)的機(jī)械爪;
2.設(shè)計無人機(jī)與機(jī)械抓的連接部分結(jié)構(gòu);
3.給出帶機(jī)械爪無人機(jī)的控制方法。
二、畢業(yè)設(shè)計(論文)的要求與數(shù)據(jù):
1.要求設(shè)計的機(jī)械爪能夠在無人機(jī)懸停過程中抓取地面或是水面的物體;
2.要求給出適當(dāng)?shù)目刂品椒ūWC無人機(jī)能順利抓取物體后返回指定地點;
3.成果中設(shè)計的專用件結(jié)構(gòu)、配合滿足標(biāo)準(zhǔn)化要求,選購的電氣件、通用件、標(biāo)準(zhǔn)件等皆符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求;
4.提交的所有圖紙應(yīng)表達(dá)方式簡潔,尺寸標(biāo)注完整、清晰、規(guī)范。
三、 本畢業(yè)設(shè)計重點和難點
重點:
1.制定機(jī)械手的抓取方式和連接部分結(jié)構(gòu)總體設(shè)計方案;
2.制定旋翼無人機(jī)的框架和機(jī)械抓固定座的設(shè)計方案;
3.設(shè)計可收放的起落架,防止飛行時起落架阻礙機(jī)械抓的抓??;
4.設(shè)計無人機(jī)重心自動平衡校正系統(tǒng)、防抓取過載保護(hù)系統(tǒng)和無人機(jī)自動導(dǎo)航識別系統(tǒng)。
難點:
1.旋翼無人機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)、旋翼電機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)、起落架的收放結(jié)構(gòu)及機(jī)械手結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性及壽命的計算。
2.機(jī)械手的的抓取力計算,由于動力源由微型電機(jī)提供,機(jī)械手的機(jī)構(gòu)必須有自鎖機(jī)構(gòu),電機(jī)斷電后可持續(xù)抓取。
3.無人機(jī)承載力、續(xù)航能力的權(quán)衡和推重比的確定。
4.無人機(jī)懸停平衡和抓取重物過程保持平衡的位姿控制系統(tǒng)設(shè)計。
2.準(zhǔn)備情況(查閱過的文獻(xiàn)資料及調(diào)研情況、現(xiàn)有設(shè)備、實驗條件等)
(1)調(diào)研情況:
經(jīng)查閱相關(guān)書籍資料并結(jié)合所學(xué)過的機(jī)械等相關(guān)知識,了解了帶機(jī)械抓的無人機(jī)發(fā)展、設(shè)計方法及相關(guān)規(guī)定,為設(shè)計作好準(zhǔn)備。
在最近的一段視頻中,研究團(tuán)隊展示了一種四旋翼式蜂鳥無人機(jī)俯沖向一個圓柱并且使用一個機(jī)械抓抓取它飛走的情景。研究人員從老鷹獲得靈感,他們相信俯沖的無人機(jī)能夠促使重量更輕、能耗更少的無人機(jī)出現(xiàn),而且能夠借助俯沖獲得的速度快速恢復(fù)高度。這種無人機(jī)非常輕,機(jī)身和抓爪總重量不足1公斤。
研究人員認(rèn)為飛撲式無人機(jī)能夠促使無人機(jī)在秘密行動中實現(xiàn)即刻靜默,并且通過減少盤旋時間來幫助提高執(zhí)行任務(wù)的持久性。這種無人機(jī)也能夠被用于速度和時間緊迫的救援行動。研究團(tuán)隊最初制作了一種雙叉形爪子,但是當(dāng)這種抓爪連接到無人機(jī)時的效果并不好,而且當(dāng)速度超過1米每秒時就無法抓起一個球。
因此研究團(tuán)隊重新設(shè)計了抓爪,他們使用熱塑性塑料創(chuàng)造了一個三指抓爪,外面包裹的橡膠殼能夠改善它的抓取能力。為了改善抓爪在更快速運(yùn)動時抓取物體的能力,研究人員將它連接到一個回旋臂上,它能夠模擬老鷹在俯沖時收回爪子的動作,來減少它與目標(biāo)之間的相對速度。雖然無人機(jī)并不能和老鷹一樣抓取,但是它已經(jīng)有所接近。通過進(jìn)行少許的變動,研究人員能夠使抓爪在提高三倍速度的情況下抓取物體。
(2)可攜載物體的無人機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展:
2013年6月,美國Matternet公司在海地和多米加共和國測試了無人機(jī)網(wǎng)絡(luò),無人機(jī)能夠攜載2公斤物體飛行9.7公里。該公司希望建立一個龐大的國際無人機(jī)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)和無人機(jī)配件全球供應(yīng)系統(tǒng),同時,還計劃建立充電基站,使無人機(jī)可以沿途降落進(jìn)行充電。[7]
2013年9月,順豐自主研發(fā)的用于派送快件的無人機(jī)完成了內(nèi)部測試,在局部地區(qū)試運(yùn)行。這種無人機(jī)采用八旋翼,下設(shè)載物區(qū),飛行高度約100米,內(nèi)置導(dǎo)航系統(tǒng),工作人員預(yù)先設(shè)置目的地和路線,無人機(jī)將自動到達(dá)目的地,誤差在2米以內(nèi)。[8]?
2013年12月,亞馬遜表示在測試一個叫作”Prime Air“的無人機(jī)快遞項目,通過使用8槳遙控?zé)o人機(jī)實現(xiàn)鞋盒包裝以下大小貨物的配送,所有訂單從發(fā)貨開始預(yù)計會在30分鐘內(nèi)送達(dá)1.6公里范圍內(nèi)的客戶手中。與此同時,UPS也在試驗類似的無人機(jī)設(shè)備。[9]
2014年10月,DHL宣布將在德國實現(xiàn)無人機(jī)送貨。該公司的四旋翼無人機(jī)可運(yùn)載1.2公斤的貨物,飛行時間可達(dá)45分鐘,時速最高可達(dá)65千米,但該無人機(jī)并非完全脫離人力,依然受到地面工作人員的控制。[10]?
2015年2月,淘寶聯(lián)合圓通速遞,在北京、上海、廣州部分區(qū)域開展的無人機(jī)快遞實驗。該螺旋槳驅(qū)動無人機(jī)的型號為黑白機(jī)身,占地約0.25平方米。[11]
參考文獻(xiàn)?
[1]Rogelio Lozano著.陳自力.江濤等譯 .無人機(jī)——嵌入式控制[M].國防工業(yè)出版社.2014.
[2]Loannis A.Raptis. Kimon P.Valavanis著.肖陽.吳勇等譯.小型無人直升機(jī)線性與非線性控制[M]國防工業(yè)出版社.2014.
[3]《工業(yè)機(jī)械手》編寫組.工業(yè)機(jī)械手上下冊[M]上海科學(xué)技術(shù)出版社.1982.
[4]王偉.宋延華.馬浩.旋翼無人機(jī)系統(tǒng)[J]控制工程.2015:(2).205-212.
[5]代君蘭.基于CAN總線控制系統(tǒng)的抓物機(jī)械手設(shè)計[J]機(jī)械設(shè)計與制造.2011:(10).91-93.
[6]張楠.何玉成.王南.操作機(jī)器人機(jī)械手爪的設(shè)計研究及應(yīng)用[J]機(jī)械設(shè)計.2013:(03).27-30.
[7]無人機(jī)自動快遞[J]資訊_銳科技.2013:(14).32.
[8]熊元.無人機(jī)新玩法[J]科技.2014:(7).64-65.
[9]亞馬遜5年內(nèi)使用無人機(jī)送快遞:30min送達(dá)[J]可靠性與環(huán)境適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)信息與行業(yè)動態(tài).2013:(S1).337.
[10]DHL“搶跑”無人機(jī)送貨[J]商業(yè)視窗.201:(12).18.
[11]黃澤滿.劉勇.周星.陳天偉.梁毅東.民用無人機(jī)應(yīng)用發(fā)展概述[J]學(xué)技術(shù)與設(shè)計.201:(24).36-38.
[12]譚建豪.王耀南.王媛媛.張藝巍.王楚.陳謝沅澧.旋翼飛行機(jī)器人研究進(jìn)展[J]綜述與評論.2015:(10).24-26
[13]S. Salazar‐Cruz. J. Escare?o. D. Lara. R. Lozano.Embedded control system for a four‐rotor UAV[J]Int. J. Adapt.Control Signal Process.2007:(21).2‐3.
(5)試驗、測試、試制加工所需主要儀器設(shè)備及條件
計算機(jī)一臺、CAD軟件以及相關(guān)三維繪圖軟件Solidworks2012等。
3、實施方案、進(jìn)度實施計劃及預(yù)期提交的畢業(yè)設(shè)計資料
實施方案:
查閱資料,選擇最優(yōu)方案。確定機(jī)械爪的材料,抓取力,驅(qū)動力矩,強(qiáng)度,大概尺寸等參數(shù),根據(jù)設(shè)計方案、原理開始設(shè)計機(jī)械爪的機(jī)構(gòu),固定方式,繪制草圖,校驗后繪制正式圖紙。根據(jù)設(shè)計方案設(shè)計無人機(jī)的框架,其中包括:機(jī)械抓的固定座、旋翼電機(jī)固定座、起落架安裝結(jié)構(gòu)、傳感器和電路板的安裝座。確定無人機(jī)框架的材料,計算無人機(jī)框架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗摔力、壽命等參數(shù),繪制草圖,校驗后繪制正式圖紙。設(shè)計無人機(jī)的收放起落架。根據(jù)要求,確定無人機(jī)的推重比,速度,升力,續(xù)航時間,選擇旋翼電機(jī)和電池。設(shè)計無人機(jī)重心自動平衡校正系統(tǒng)、防抓取過載保護(hù)系統(tǒng)和無人機(jī)自動導(dǎo)航識別系統(tǒng),繪制系統(tǒng)框圖和電路原理圖。繪制整機(jī)裝配圖,撰寫設(shè)計說明書,核查相應(yīng)的圖紙設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計論文格式。
進(jìn)度計劃:
(1)2015.12—2015.01所選擇的課題進(jìn)行調(diào)研、查閱資料、方案設(shè)計。
(2)2015。01—2016.02查閱資料,明確設(shè)計目的,完成開題報告,收集與課題相關(guān)的資料及參考文獻(xiàn),確定畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計大致方案。
(3)2016.03—2016.04完善并確定最初方案,制定無人機(jī)框架和機(jī)械抓總體設(shè)計方案。
(4)2016.04—2016.05根據(jù)設(shè)計要求,設(shè)計好旋翼無人機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)、旋翼電機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)、起落架的收放結(jié)構(gòu)及機(jī)械手結(jié)構(gòu);完成各個結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校驗和壽命計算;完成機(jī)械抓的抓取力計算,選擇機(jī)械抓的驅(qū)動電機(jī);估算整機(jī)重量,確定無人機(jī)的推重比,選擇無人機(jī)的驅(qū)動電機(jī);根據(jù)續(xù)航要求,選擇無人機(jī)的配套電池。畫出其裝置的總裝配圖,及相關(guān)的零件,并表述裝置的工作原理過程。進(jìn)行畢業(yè)論文(設(shè)計)初稿。
(5)2016.05—2016.06確定無人機(jī)重心自動平衡校正系統(tǒng)、防抓取載保護(hù)系統(tǒng)和無人機(jī)自動導(dǎo)航識別系統(tǒng)方案;根據(jù)設(shè)計方案,選擇控芯片,無線傳輸芯片,傳感器和導(dǎo)航芯片等;連接電路,編寫控制程序,最后進(jìn)行調(diào)試和檢驗。
(6)2016.06—2016.06根據(jù)指導(dǎo)教師意見進(jìn)行修改,并最后定稿,并且完成計算機(jī)繪制圖和外文翻譯。核查相應(yīng)的圖紙設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計論文格式。
(7)2016.06—2016.07完成畢業(yè)設(shè)計,提交論文。
預(yù)期提交:
1、帶機(jī)械抓的無人機(jī)設(shè)計說明書;
2、英文資料翻譯(附英文原文);
3、CAD繪制二維帶機(jī)械手的無人機(jī)裝配圖、零件圖及控制系統(tǒng)原理圖。
指導(dǎo)教師意見
指導(dǎo)教師(簽字):
2016年3月1日
開題小組意見
開題小組組長(簽字):
2016年3月 1 日
院(系、部)意見
主管院長(系、部主任)簽字:
2016年3月 1 日
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