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遙控飛機的計算機輔助方案設計.doc
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摘 要 II
ABSTRACT III
1. 前言 1
1.1 課題的來源，研究的目的和意義 1
1.2 文獻綜述 1
1.3 本文的研究內容 4
2. 研究方案與研發工具 5
2.1 項目的研究方案 5
2.2 PRO/E簡介 5
2.3 ADAMS簡介 7
3. 遙控飛機的計算機輔助方案設計 11
3.1 遙控飛機的測繪 11
3.2 遙控飛機的三維建模與裝配 15
3.3 遙控飛機的傳動方案的研究 27
3.4 遙控飛機的運動學仿真 27
4. 結論與展望 41
4.1 結論 41
4.2 展望 42
致謝 43
參考文獻 44
摘 要
在近幾年中，遙控飛機玩具越來越受廣大愛好者的歡迎，但它絕不是標準意義上的玩具這么簡單。隨著國內外的發展，它已經有了很大的進步，存在著很高的科技含量，不是玩具可以比擬的。
遙控飛機主要是由兩對齒輪傳動來帶動螺旋翼轉動，并通過空氣阻力來使飛機飛行的。在研究過程中，通過對市場相關產品的調研，測繪，建模裝配并仿真，并對其進行適當優化改造，使得產品質量更加穩定。
在設計過程中，首先用Proe畫出遙控飛機模型的三維視圖，再導入ADAMS軟件中，對其進行運動分析、仿真，使飛機能夠運轉。在此基礎上設置出飛機飛行的不同軌跡，模擬飛機在靜止、起飛、直線飛行、轉彎、降落時的情況。
關鍵詞：遙控飛機；測繪；建模；裝配；仿真；模擬
Abstract
In recent years, remote control toy plane more and more popular with enthusiasts welcome, but it is by no means the standard sense of the toys that simple. With the development of domestic and foreign, it has made great progress, there is a high technology content, not the toy can match.
Remote control aircraft mainly by two pairs of driven helical gears to wing rotation, and the aircraft through the air resistance to make the flight. In the study, market-related products through research, mapping, modeling, assembly and simulation, and optimization of their appropriate transformation, allowing for more consistent quality.
In the design process, the first remote control airplane model with Proe draw three-dimensional view, and then import the ADAMS software, its exercise analysis, simulation, so that aircraft can operate. On this basis, setting out the different flight path, simulating an aircraft in the static, off, straight flight, turns, landing situation.
Keywords: remote control aircraft; mapping; modeling; assembly; simulation; simulation
1. 前言
1.1 課題的來源，研究的目的和意義
在近幾年中，遙控飛機玩具越來越受廣大愛好者的歡迎。早在2004年左右，飛行器類玩具已開始在國內市場上零星亮相。當時，企業的開發思路基本延承“把航模簡化”而來，產品以電動遙控滑翔機為主，形體也比較大，翼展約1米左右。上海的“火鳥”、“西西利”、“藝峰”，廣東的“龍昌”、“銀輝”、“賽拓普”、“雙合”、“雙馬”等，都是較早出現于市場上的飛行器類玩具品牌。近來，一股“飛行器熱”在玩具市場上快速蔓延。在遙控車類玩具獨領市場風騷十余年后，遙控飛行機逐漸成為新一代的市場寵兒，深受廣大消費者追捧。飛行器類玩具，常見的有遙控滑翔機，直升機，飛碟等種類。據悉，今年最熱門的是直升機系列，它在技術上有限大突破，成本進一步降低，售價更貼近消費者，因而大獲市場青睞。
一直以來，航模運動都是受人喜愛并提倡的運動，它對人的三維立體思維能力極有幫助，還可以幫助愛好者掌握多項空氣動力學知識。但由于受其裝備費用昂貴，場地技術要求高、安全隱患等限制，只在小范圍內流行，難蔚成大觀。要將“模型玩具化”要解決幾個關鍵的問題：縮小體積、減輕重量、簡化結構、減少組裝、免除測試；提高自航穩定性能、降低操作難度、提高安全性。于是，就有了滑翔機、飛碟、遙控飛機等玩具化模型。
準確地說，遙控飛機是航空模型運動，是國際級的非奧運項目。同時，對于普通愛好者來說，遙控飛機也是一種很時尚的休閑運動，它對人的意志品質包括心里素質以及身心各方面都有著極大的益處。
1.2 文獻綜述
我國是一個地大物博、幅員遼闊的國家。從50年代至70年代末，我國的測繪科技工作者通過航空遙感，完成比例尺為1：50000的全國地形圖測繪乖哦工作。70年代后期子按后引進美國陸地衛星MSS圖像和法國SPOT衛星圖像，以及利用我國自行研制的衛星。從宏觀上為我國資源分析、環境監控、地理分析、土地分析、農業估產等提供信息資料和應用手段。航空、航天遙感技術的廣泛應用和發展，為國民經濟建設的發展發揮了重要的作用。但是，隨著我國改革開放的逐步深入、經濟建設迅猛發展，各地區的地貌地物發生巨大變遷。現有的航天、航空遙感獲取影像信息的時效已無法適應經濟的需要，客觀上的要求新的遙感技術為日益發展的城鄉經濟建設和文化事業服務。【1】
近來，一股“飛行器熱”在玩具市場上快速蔓延。在遙控類玩具獨領市場風騷十余年后，遙控飛行器逐漸成為新一代的市場寵兒，深受廣大消費者追捧。甚至有業內人士宣稱，飛行器玩具有可能取代遙控車的市場主導地位，成為新的市場領導性產品。
遙控飛機屬于遠距離控制的飛行器。根據其用途和性能的差異，遙控飛機可分為玩具、航模、民用、軍用等幾類。玩具遙控飛機結構簡單，通常為單通道、二通道或三通道，有固定翼飛機、直升機等。隨著科技發展，玩具遙控飛機的體積日漸縮小，而可操作性和技術含量越來越高，一些遙控飛機已經能由5-6歲的兒童操作。【2】
由于有的遙控飛機因質量輕、制作簡單， 成本低、飛行速度慢，可在諸如禮堂、體育館等室內空間飛行而大受歡迎。相對于國內超小型遙控設備種類極少的現狀，國外在這方面可供選擇的種類是很廣泛的。選擇多少通道，什么形式的遙控設備都可由愛好者依據自已的實際情況來決定。市售的設備既包括最簡單的控制方向舵，通道的非比例操控系統，也有數個比例通道的髙級設備，其性能、價格自然也各不相同。遙控 接收機以無線電形式為最多，但也有用紅外遙控的。在國外，一套微型遙控設備（包括2-3個通道的接收機、2個超微型舵機一個調速器在內〕總重僅有8-45克。為了減輕重量，一般遙控設備并不專配電池， 而是將動力電源經整流后供給設備用電。受室內封閉環境的影響，一般遙控設備的控制距離會有不同程度的減小， 在飛行前應進行實際測定，才能有所準備，不致于一旦失控時手忙腳亂。目前國內比較成熟的一種超小、超輕型遙控設備，其隨動舵機重13克，反應速度、定位精度都已基本達到使用要求。整套包括一個三通道接收機、兩個超小舵機，一個兼低電壓自動保護功能的電子調速器在內，總重為50余克，可在比較大型的室內遙控模型飛機上使用— 動力裝置。
普通的室內模型飛機均為橡筋動力，國外也確實嘗試過僅控制方向舵的橡筋動力室內遙控模型飛機。這樣做可以更簡單，更經濟，重量更輕，但畢竟飛行時間不會很長。如果以長橡筋束再配以齒輪減速裝裝置，也能夠飛數分鐘，足可滿足人門愛好者的需要。使用燃料的航模發動機，因為工作時產生較大的噪音，并會產生廢氣廢煙污染室內空氣，不適于作這類模型舵機的動力。至于二氧化碳發動機，它兼具清潔、簡便的優點，使用成本也比較低，動力系統工作時間很短（一般僅幾十秒），不太適合國內市場。相比之下以大功率電動機和高能量密度電池組成的動力組件具有很大的優勢。目前以稀土元素制成強力磁鋼的微型電動機和鎳氫電池為代表的動力組件具有功率大、工作時間較長、簡潔方便、無污染、使用成本低廉等特點。調速也十分方便，只需接上一個高頻振蕩、變頻調速的調速器，就能對電機功率進行無級調節，以滿足全動力起飛和減功率巡航的要求。【3】
航模可以說是高級玩具，但其結構復雜程度和可操作性遠高于玩具遙控飛機。航模遙控飛機可以實現前后、上下、側飛、左右、加速減速等大量技術動作。航模初學者應循序漸進，從相對簡單的飛機開始學習操作。例如，航模遙控直升機應從四通道雙槳直升機開始。如果一開始就操作高級的六通道直升機，初學者會難以適應其操作難度。航模遙控飛機有油動和電動之分，油動的最大好處是續航時間長，只要及時加油即可飛行，而且，馬力強勁。但油動機的危險系數較高，維護相對復雜，價格比較高，因此電動航模成為了航模普及的主要角色。與過去流行過的滑翔機、飛碟等相比，現在流行的直升機有幾大特點，一是價格很吸引人；二是用料好，以前以發泡膠為主，已損壞，現基本以耐撞擊的EEC為主；三是容易操縱，在很小的空間里就可以玩。【4】
遙控飛機用的遙控設備包括發射機，接收機和一對晶體。發射的作用是發射信號，讓我們在地面通過它可以控制飛機飛行；接收機的作用則不可言喻，它是接收發射機發出的信號；晶體是讓發射和接收在同樣的頻率下工作，不至于與其它發射接收沖突。發射機和接收機都有通道這個最為重要的參數，通道即表示幾個信號模式，一個通道相對應一個信號。一般用一通道控制方向，二通道控制升降，三通道通過油門控制電機轉速。晶體是一對進行工作，發射機和接收機晶體的頻率必須一樣，才能在同頻率下工作。例如，發射上的晶體是72.310MHZ，那么接受上面也必須插有72.310MHZ的晶體才行。如果幾首上面是72.180，那么顯然發射不能控制這個接收。至于遙控模型飛機的電動機一般都用功率不大（數瓦到近十瓦）的微型永磁電動機，例如四驅車上常用的131型電機。也有不少人使用151級別的電動機。對于個別的大型或有特殊要求的室內模型飛機，也可選用380或國產817A系列電動機。很低的飛行速度（一般僅2-3米每秒）要求模型飛機使用較大直徑，較小螺距的槳葉，這樣才有較高的效率。如果能夠裝上減速齒輪，降低槳葉轉速而增大尺寸，效果會更好。動力電源推薦采用鎳氫電池。同較早出現的鎳鎘電池相比，它的最大優點是容量高（比后者高出50%-100%）,無記憶效應，可隨充隨用，但其大電流電性能不如鎳鎘電池。對于室內模型飛機，正常情況下電動機所需要的電流并不大，但要求有較長的供電時間，從這點出發，卻要求有較長的供電時間，從這點出發，鎳氫電池更為合適。【5】
通常的遙控模型飛機，除少數像真模型飛機之外，其外形和結構大多與室內自由飛類的模型飛機相似，只不過是尺寸稍大些。因室內空間有限，這類模型飛機的翼展最大也只有1米多一點，可以用輕木、桐木、碳纖管等材料制作。模型飛機上的遙控設備由于不考慮防震問題，可以把塑料外殼去掉，以減輕重量。很低的飛行速度（最低的只有每秒1米左右），很輕的飛行質量（一般為10-100克，最小的僅31克），使得室內遙控模型飛機的結構強度大為降低。例如，機翼與尾翼均可用桐木構架再單面蒙薄膜，機翼構架除前、后緣之外再加跟主梁，沒有必要設計復雜的復板結構。為保險起見，可在機翼兩端拉上張線。
遙控飛機由于飛行速度很慢，在全機的阻力構成中誘導阻力占主要因素。從降低誘導阻力考慮，一般模型飛機的機翼應有適當的展弦比（建議大于6）和平面形狀（以橢圓形平面形狀為最佳，但其構架最難制作，也可換用梯形翼加以翼尖整流，效果同樣較好），同時盡量減少機體、機載設備其他部件的阻力。
當然也有特例：在國外就有一些能飛特技動作（筋斗，甚至橫滾）的室內遙控模型飛機，機體的結構強度已明顯加強，飛行速度也較快（大于5米每秒），與勝似閑庭散步的普通室內遙控模型飛機相比，完全是兩種不同的飛行感覺。今后的遙控飛機將朝兩級方向發展，一類是功能更簡化，價格更便宜，更適應普通消費者需求；另一類是功能朝復雜化發展，配件齊全，以滿足高級別玩家的需求。【3】
遙控飛機屬于高智能，具有一定技術含量的一種新型玩具。它不僅可以作為一種供人們娛樂的玩具，還可以作為一種開發人類智力的航模運動比賽。這種運動在很早之前在國內外就已經存在。從1996年開始，中國航模愛好者隊伍開始以每年30%的速度迅速增長，也推動了中國航模產業的發展。中國是航模運動小國，卻是不折不扣的航模生產大國。據保守估計，僅固定翼航模中國的產量在國際上就占到了90%。中國航模生產企業從1994年的0家到 1996年的四五家再到今天的大大小小300家，可以說經歷了直線上升階段。
隨著世界的發展，遙控飛機從降低價格、縮小體積、減輕重量、簡化結構、減少組裝、免除測試、提高自航穩定性能、降低操作難度、提高安全性等方面進一步的進行研究和開發。如今遙控飛機在技術上有很大的突破，成本的進一步降低，售價更貼近消費者，因而大獲市場青睞。【6】
1.3 本文的研究內容
遙控飛機玩具為飛行器玩具的一種，它主要是借鑒于國內外的電子技術，遙控技術等相關的科學技術而得到的一種電子遙控玩具。
通過對市場相關產品的調研，測繪，建模裝配并仿真，并對其進行適當優化改造，使得產品質量更加穩定，并在此基礎上對產品進行新功能的拓展使。利用CAD軟件進行零部件描述，利用ADAMS仿真軟件對產品進行綜合性技術分析，使之達到課題項目要求。
2. 研究方案與研發工具
2.1 項目的研究方案
首先，要迅速瀏覽和閱讀遙控飛機玩具及相關課題及知識。接著，對市場進行實地調研，購買適合的玩具進行拆解和測繪。用Pro/E畫出遙控飛機模型的各個零件圖，對零件圖進行裝配，得出遙控飛機的三維裝配圖。第三，把Pro/E里的遙控飛機的三維裝配圖導入ADAMS軟件中，進行詳細的動力學分析。找出活動構件的動力部分，給其加一個運動副和一個驅動，讓其轉動。通過傳動部分到執行部分使飛機運動。并分別對飛機在地面，起飛，直線飛行，轉彎，降落進行仿真，記錄下其運動過程。最后，總結出現的問題，并對其進行進一步的修改。
2.2 PRO/E簡介
1985年，PTC公司成立于美國波士頓，開始參數化建模軟件的研究。1988年，V1.0的Pro/Engineer誕生了。經過10余年的發展，Pro/Engineer已經成為三維建模軟件的領頭羊。目前已經發布了Pro/Engineer、Proewildfire5.0。PTC的系列軟件包括了在工業設計和機械設計等方面的多項功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產品數據管理等等。Pro/Engineer還提供了目前所能達到的最全面、集成最緊密的產品開發環境。
Pro/Engineer有以下幾個主要特性：
（1）全相關性：Pro/Engineer的所有模塊都是全相關的。這就意味著在產品開發過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設計圖紙，以及制造數據。全相關性鼓勵在開發周期的任一點進行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發后期的一些功能提前發揮其作用。
（2）基于特征的參數化造型：Pro/Engineer使用用戶熟悉的特征作為產品幾何模型的構造要素。這些特征是一些普通的機械對象，并且可以按預先設置很容易的進行修改。例如：設計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。 裝配、加工、制造以及其它學科都使用這些領域獨特的特征。通過給這些特征設置參數（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數很容易的進行多次設計疊代，實現產品開發。
（3）數據管理：加速投放市場，需要在較短的時間內開發更多的產品。為了實現這種效率，必須允許多個學科的工程師同時對同一產品進行開發。數據管理模塊的開發研制，正是專門用于管理并行工程中同時進行的各項工作，由于使用了Pro/Engineer獨特的全相關性功能，因而使之成為可能。
（4）裝配管理：Pro/Engineer的基本結構能夠使您利用一些直觀的命令，例如“嚙合”、“插入”、“對齊”等很容易的把零件裝配起來，同時保持設計意圖。高級的功能支持大型復雜裝配體的構造和管理，這些裝配體中零件的數量不受限制。
（5）易于使用：菜單以直觀的方式聯級出現，提供了邏輯選項和預先選取的最普通選項，同時還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學習和使用。
Pro/Engineer是做模具設計最好的軟件，是三維建模的領頭羊。它是一套由設計至生產的機械自動化軟件，是新一代的產品造型系統，是一個參數化、基于特征的實體造型系統，并且具有單一數據庫功能。
（1）參數化設計和特征功能 Pro/Engineer是采用參數化設計的、基于特征的實體模型化系統，工程設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈活。
（2）單一數據庫 Pro/Engineer是建立在統一基層上的數據庫上，不象一些傳統的CAD/CAM系統建立在多個數據庫上。所謂單一數據庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設計過程的任何一處發生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環節上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應在整個三維模型上。這種獨特的數據結構與工程設計的完整的結合，使得一件產品的設計結合起來。這一優點，使得設計更優化，成品質量更高，產品能更好地推向市場，價格也更便宜。
（3）Pro/Engineer是軟件包，并非模塊，它是該系統的基本部分，其中功能包括參數化功能定義、實體零件及組裝造型，三維上色實體或線框造型棚完整工程圖產生及不同視圖（三維造型還可移動，放大或縮小和旋轉）。Pro/Engineer是一個功能定義系統，即造型是通過各種不同的設計專用功能來實現，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用這種手段來建立形體，對于工程師來說是更自然，更直觀，無需采用復雜的幾何設計方式。這系統的參數比功能是采用符號式的賦予形體尺寸，不象其他系統是直接指定一些固定數值于形體，這樣工程師可任意建立形體上的尺寸和功能之間的關系，任何一個參數改變，其也相關的特征也會自動修正。這種功能使得修改更為方便和可令設計優化更趨完美。造型不單可以在屏幕上顯示，還可傳送到繪圖機上或一些支持Postscript格式的彩色打印機。Pro/Engineer還可輸出三維和二維圖形給予其他應用軟件，諸如有限元分析及后置處理等，這都是通過標準數據交換格式來實現，用戶更可配上Pro/Engineer軟件的其它模塊或自行利用 C語言編程，以增強軟件的功能。遙控飛機的計算機輔助方案設計 ...
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