科创中国

高端装备制造产业,航空装备产业

本项目所设计的飞行器的灵感来源于自然界中枫树的种子（翅果）坠落的过程，翅果在坠落时，翅翼通过自旋，翅翼表面产生一个稳定的前缘涡，进而拥有超高的空气动力效率。以自然界中的翅果下落运动特性为灵感，设计出了远程空爆式炸药无人机和仿翅果单翼无人机。远程空爆式炸药无人机由一个圆柱形的炸药舱和一块翅果形状的机翼组成，机翼位于炸药舱的上方，在下落时带动炸药舱旋转。可将其搭载于飞机或其他载具携带到空中，通过螺旋桨控制运动方向，精确地到达目标点上空，靠近目标点后实现爆炸，适用于定点空投爆破。由于大批量投放和除电机外的零部件均使用塑料等非金属材料制作，可以有效避开防空网络的拦截。仿翅果单翼无人机包括电池、控制系统组件、机翼、螺旋桨运动组件，整体以电池所处的位置为中心轴自旋飞行，在有限空间内可以垂直起飞降落，采用单翼结构和小螺旋桨驱动，能实现高升力系数和高效率飞行，降落时仿翅果自旋减速下降，可靠性高，维护成本低。 采用了叶片单元理论和刚体六自由度运动方程，建立了飞行动力学模型和运动学分析，采用脉冲周期控制方法，仅使用一个电机驱动实现方向控制。自制了控制电路板PCB，并设计了控制代码，整机可自主编程，制作成本

本文设计的仿翅果无人机具有低成本、易制作和飞行高效率等优点，对未来军事应用具有重要意义。其创新点包括： 1 新颖的仿自然结构设计：以自然界中的翅果下落运动特性为灵感，设计出了远程空爆式炸药无人机和仿翅果单翼无人机。该设计将翅果的运动特性移植到无人机中，使无人机在无能源动力时能自旋减速下降，同时进行方向驱动控制，实现精准定点降落和可控飞行。无人机整机结构简单，可以有效的降低维护工作和故障率，提高了可靠性。 2 动力学建模和控制方法研究：基于叶片单元理论和刚体六自由度运动方程，进行了动力学建模和运动学分析。采用脉冲周期控制方法，仅使用一个电机实现了完整的飞行姿态控制。制作控制硬件电路并编写控制代码，设计控制指令实现预期飞行动作，验证了动力学模型和控制系统的正确性。 3 无人机的高性能研究：采用单翼加小螺旋桨驱动的方式，单翼的结构使得无人机具备较高的升力系数和飞行效率。无人机飞行耐力长、飞行噪音低、稳定性好，电源故障时具备自旋安全保护能力，整机成本低廉，可以大批量生产作为一次性无人机使用。 4 攻防性武器创新性研究：无人机具备垂直起降的能力，可以快速进入和离开狭小空间。搭载炸药舱可作为攻击性

刘文举：专业型硕士，研究生二年级，负责无人机整体设计、测试；指导老师：曲海波副教授; 王皓乾：博士生，博士一年级，负责机构性能分析；王晓雷：博士生，博士二年级，负责自动化、PCB 设计；呼布琴：专业型硕士，研究生一年级，负责建模、结构优化、流体分析；马攀：学术型硕士，研究生二年级，负责传感器与电路设计；刘英建：学术型硕士，研究生二年级，负责机构性能优化；鲍俊宇：学术型硕士，研究生二年级，负责飞行控制；程 然：本科二年级，专业为机械电子工程，负责整体测试、分析； 以上成员均来自北京交通大学机器人研究中心，具有扎实的机器人、无人机设计与分析能力，主要成员均主修过《机器人机构学》、《控制系统建模与分析》、《无人机设计》、《无人机动力学》、《流体力学》、《PCB 电路板设计》、《计算机控制》、《ROS 仿真》、《C 语言编程及应用》等机器人领域的主要课程，并在各自的研究领域开展一定的研究与设计分析。 北京交通大学机器人研究中心简介：机器人研究所主要从事机器人基础理论和应用关键技术研究，瞄准机器人学研究的国际前沿，重点研究并联机器人机构设计与分析的相关科学问题。

点击查看