本科毕业设计论文开题报告专业飞行器控制与信息工程 班级HC001903学号报告题目 跨介质航行器飞行控制系统设计题目来源划√ 实践教学□ 科教融合☑ 创新创业□ 产教融合□ 国际合作□ 本研贯通□论文类型划√ 工程设计类☑ 理论研究/论文类□ 其 他 □报告日期 2023 年 3 月 2 日 报告地点一、选题背景、意义及依据随着军事对抗技术与手段的发展单介质空间航行器在多维态势感知、信息交互、突防攻击等方面的能力受到制约研究适应多介质环境的跨介质航行器已成为军事强国的重要发展方向。水空跨介质航行器具备空中飞行水下潜航飞行器速度快隐蔽性好以及独一无二的反复介质跨越等优点。因此此类航行器无论是在军用应用领域还是在民用领域都有着广阔的应用前景。1)民用领域由于水空跨介质航行器同时具备无人飞行器和水下潜航器的功能在大型桥梁检修工作中既可检测水下结构体状态又可观测水上部分情况。另一方面水空跨介质航行器可以飞行较长距离后潜入水中进行失事沉船与飞机的搜救打捞工作从而大大节省此前通过母船机械布放水下航行器进行工作的时间。此外其它应用方向主要包括:低空航线、海上航道、港湾的勘测及测量灾难、危险区域的搜索和救援海底通信电缆线路勘察铺设光纤电缆执行生态系统监测任务等。2)军事领域水空跨介质航行器的活动范围涉及到空中、水下两种介质侦察监视和覆盖范围远远大于单一介质航行器因而可在大范围内进行低空及超低空、沿岸和港口水面及水下目标军事侦察、监视等任务[1]。此外利用水空跨介质航行器空中飞行速度快、水下航行隐蔽性强的特点采用空中/水下多次交替运动的模式可以使航行器快速接近目标区域实现隐蔽载运的目的如加装战斗部能作为反辐射和微型攻击武器摧毁敌方雷达等电子设施。同时水空跨介质航行器利用快速、隐蔽的优势还能够用于目标搜索、战损评估、信息中继、实施军事海底地形探查和测绘、进行核生化探测和危险区域标定、快速清理航道、进行反水雷任务、实施反潜位置标定等军事用途。未来信息化海战场将是岸、海、空、天、潜多维一体的联合作战[2]在未来联合作战行动中跨介质航行器将具备远程、高精度的探测能力具有更广的作战范围和更强的独立作战能力。意义过于笼统。这里欠缺对什么样的水空跨介质航行器进行控制控制的难点在哪里的描述。二、国内外研究现状自1934 年苏联工程师 Ushakov 提出飞行潜艇项目 LPL 以来研究人员针对不同的任务背景和作战要求提出了多种不同思路的跨介质飞行器方案。按照飞行器结构的不同可将现有研究成果分为跨介质固定翼飞行器、跨介质旋翼飞行器以及跨介质仿生飞行器三类[3]由于在本设计中以研究旋翼式为主因此以下研究现状围绕旋翼跨介质航行器展开。2.1 无人空中水下航行器HUAUV2014 年巴西南里奥格兰德大学的助教Paulo Drews-Jr[4]等人提出了一种双层共轴八旋翼结构的无人空中水下航行器 HUAUV。HUAUV 采用分层动力布局、接力推进跨越的思想完成空中飞行、水下潜航以及水空介质跨越的基本功能空中飞行时只有空中动力机构(空中旋翼) 工作水下动力机构(水下螺旋桨) 静止; 水下航行时水下动力机构(水下螺旋桨)工作空中动力机构(空中旋翼) 静止。2.2 两栖无人机Naviator2015年美国罗格斯大学开发了“Naviator”两栖无人机[5]不同于在水面活动的类型该无人机可以下潜到水下游行。“Naviator”两栖无人机采用四旋翼结构具有四对共轴双旋翼单元通过调节电机的转速实现六自由度运动各个模块部件均能够防水。无人机下沉到水下带绿色桨叶电机降速导致机身出现倾斜角度从而实现游行。但将空气旋翼直接作为水下航行推进机构效率很差无人机水下运动速度远不如水下螺旋桨而且随着转速的增加极易烧毁电机。2.3 两栖无人机Loon Copter奥克兰大学嵌入式系统研究实验室开发的Loon Copter 两栖无人机几乎与 Naviator 同时进行这是一种能在空中、水面以及水下不同条件下进行拍摄的无人机 Loon Copter。Loon Copter采用的是最简单的单层四旋翼布局两组旋翼既提供空中飞行的升力也提供水下航行的推力。当切换成水下模式运动时无人机能利用其自身的压载系统自动将螺旋桨的朝向由向上转换成向后提高了运动的机动性。2.4 两栖无人机Cracuns2016年美国约翰•霍普金斯大学研发的“Cracuns”水陆两栖无人机。该款两栖无人机机身整体闭合密封是一款既可以在空中飞行也能在水面活动的四旋翼无人机[6]。“Cracuns”能够水中长时间待命起飞接收到指令后可以在水面升空具备较强的隐蔽性能有着良好的军用前景。2.5 倾转四旋翼跨介质飞行器TCUV其主体是一个流线型浮筒提供机体所需的浮力采用专门设计的水空两用推进器作为动力来源[7]4 个推进器左右对称分布。每个推进器配有一个舵机控制推进器偏角使推进器能够产生矢量推力水下航行时推进器转向水平略向下克服水的阻力与跨介质飞行器的正浮力。在这种构型下跨介质飞行器的姿态控制既可以通过推进器推力差动实现也可以通过改变推进器偏角实现。研究现状整理如下表1所示时间 研究机构 介质跨越方式 推进方式 图示2014年 南里奥格兰德大学 垂直出入水平衡设计旋翼驱动 空气桨空中水桨水中2015年 罗格斯大学 垂直出入水 四旋翼水空2015年 奥克兰大学 垂直出入水储水箱旋翼驱动 四旋翼水空2016年 约翰霍普金斯大学 无可控水下航行能力可自主上浮 四旋翼水中升空2022年 中国科学院大学 垂直出入水 四旋翼水空三、课题研究目标、研究内容、研究方法及关键技术3.1 研究目标及内容研究目标设计、搭建一套能够携带一定载荷出水的旋翼装置研究内容跨介质航行器可同时具有快速飞行能力、快速游弋能力和高隐蔽性的优点因此极具发展潜力。本毕设主要内容包含以下几个方面:(1) 对高稳态出入水、空海跨域混合控制等关键技术进行调研并进行文献综述(2)利用Catia等专业软件设计出水旋翼装置(3)搭建具有防水功能的小型样机能够通过Pixhawk等微型控制器出水并进行方向控制。3.2 研究方法及关键技术完成高稳态出入水、空海跨域混合控制等关键技术调研;完成具有防水功能的小型飞行航行器设计;完成能够实现稳态出入水过程的非线性、强鲁棒控制系统设计搭建具有防水功能的小型样机能够通过Pixhawk等微型控制器出水并进行方向控制。四、论文所遇到的困难和问题、拟采取的解决措施及预期达到的目标4.1 困难与问题1能量来源和重量控制问题本跨介质航行器使用电池作为能源采用细长的流线型外壳以降低航行阻力所受浮力一般接近于重力。在实际任务过程中由于出水过程极为耗能要想达到长航时要求跨介质航行器一般需携带较多电池这增加了整体重量。目前开展研究中飞行器的重量都很轻[8]水面垂直起飞难度小这也意味着负载问题一定程度上限制了跨介质飞行器的任务扩展性。2姿态控制问题航行器出入水问题出水是潜空跨介质航行器一个关键技术难题。航行器水空介质跨越过程消耗巨大的能量出入水过程中水面风浪对航行器的影响以及航行器姿态调整等都是亟待解决的问题。4.2 拟解决措施及预期目标目前初步拟通过浮力、重力、推进器推力等建立旋翼跨介质航行器动力学模型采用实验测定的方法推算水空界面上推进器推力损失系数与高度的近似关系从而提高推进效率适当增加载荷。在出入水风浪干扰过程中结合具体强力非线性干扰过程结合PID控制原理设计偏角及转速控制器完成较稳定出入水过程。预期目标为设计、搭建一套能够携带一定载荷稳定抵御风浪出入水的旋翼跨介质航行器装置。五、论文进度安排总体进度安排如表2所示总体进度安排 具体内容安排 具体时间规划2023.1.8 - 2023.2.8前期构思方案确定研究内容 阅读相关文献 2023.1.8 - 2023.1.22.总结高稳态出入水、空海跨域混合控制等关键技术发展现状 2023.1.23 - 2023.2.1制定研究方案完成开题报告初步撰写 2023.2.1 - 2023.2.82023.2.9 - 2023.5.20中期开展各系统详细设计搭建开展样机测试工作 样机搭建 设计出水旋翼装置搭建小型样机 2023.2.9 - 2023.3.6设计旋翼装置控制系统 2023.3.7 - 2023.3.21样机总体设计完成样机搭建 2023.3.22 - 2023.4.20样机测试 样机系统调试完成最终测试及数据分析 2023.4.21 - 2023.5.202023.5.21 - 2023.6.4后期毕业论文撰写与答辩 撰写修改论文送审评阅 2023.5.21 - 2023.6.1准备毕业论文答辩 2023.6六、参考文献[1]杨健,冯金富,齐铎,马宗成,张强.水空介质跨越航行器的发展与应用及其关键技术[J].飞航弹,2017,No.396(12):1-861.DOI:10.16338/j.issn.1009-1319.2017.12.01.[2]马晓伟,王金栋,陈觉之.潜射无人机的发展及应用前景[J].飞航导弹,2009,No.293(05):32-35.DOI:10.16338/j.issn.1009-1319.2009.05.006.[3]刘相知崔维成. 潜空两栖航行器的综述与分析J.中国舰船研究201914S21-14.[4]齐铎, 李永利, 张佳强, 等. 旋翼型两栖无人机的发展现状及其在近海破障作战中的应用分析[J]. 飞航导弹, 2019(11):43-47.[5]唐胜景,张宝超,岳彩红,桑晨,郭杰.跨介质飞行器关键技术及飞行动力学研究趋势分析[J].飞航导弹,2021,No.438(06):7-13.DOI:10.16338/j.issn.1009-1319.20210843.[6]Drews P L J Neto A A Campos M F M. Hybrid unmanned aerial underwater vehicle modeling and simulationC. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems20144637-4642.[7]聂星宇,胡志强,孙浩添,耿令波.倾转四旋翼跨介质飞行器水面垂直起飞策略研究[J].舰船科学技术,2022,44(04):66-71.[8]孙祥仁,曹建,姜言清,李岳明,李晔.潜空跨介质无人航行器发展现状与展望[J].数字海洋与水下攻防,2020,3(03):178-184.