3D打印机与四旋翼飞行器研究计划

3D打印机与四旋翼飞行器研究计划1研究基础1、教师团队近年来，机电工程学院注重青年教师培养，组建多支博士科研团队，刘财勇博士课题组研制出了桌面型3D打印机；毕凤阳老师课题组可实现3D打印产品逆向工程数据的精确采集；王晓宏博士课题组在FDM专用树脂方面的研究获得良好的实验效果，特别适合于桌面3D打印机使用；任忠先老师课题组已研制出多款满足3D打印机精度要求的数控工作台，其定位精度达到0.02mm。教师团队主要成员序号姓名职称学位研究方向1刘财勇讲师博士机械设计制造及其自动化2齐建家讲师硕士机械电子工程3任忠先讲师硕士机械设计制造及其自动化2、学生团队机电工程学院大力开展大学生创新教育，积极组织教师参与大学生创新创业训练计划、毕业设计等实践环节，在实践中对学生进行创新思维与创新能力的培养。学院成立了学生社团组织——工程学人，由学生自我管理。社团配有专门教师辅导机械制图、电气控制等基础知识，并定期组织讲座、培训、竞赛等活动。社团成员大多承担着大学生创新创业训练计划项目。3、校外合作本项目团队与哈尔滨工业大学老师和学生合作，并与社会上很多3D打印机、多旋翼飞行器的爱好者们共同研发3D打印机和多旋翼飞行器，并取得一些成绩，目前，3D打印机已实现自主设计加工制作，可以进行商品化。四旋翼飞行器机架结构实现自主设计加工，飞控程序部分代码实现自主化。通过学习合作，开阔了眼界，锻炼了队伍，积累了机电产品研制开发的宝贵经验。4、实验室条件机电工程学院的先进制造技术实验室、特种加工实验室和机械创新实验室是主要的研究场所，面向老师和学生开放。学院现有项目开发研究可以使用的主要仪器设备包括：数控铣床、加工中心、激光切割机、三维激光扫描仪、自制的FDM三维打印机、数控雕刻机等设备，以及各种必备的测量、测试等辅助工具。2研究方向与研究目标2.13D打印机中国的3D打印市场已经渡过了启蒙期，正处于快速发展的阶段。在我院成功研制基于FDM的3D打印机基础上，继续深入研究面向大众消费级的、耗材便宜的桌面型3D打印机，进一步降低机器制作成本，争取在教育行业中推广使用。同时研制并联式3D打印机，为并联机器人、并联机床的研究奠定基础。主要技术指标：打印空间：350×350×400毫米；打印材料：1.75毫米ABS/PLA；打印速度：1800毫米/分钟；打印精度：0.01毫米；支持脱机打印。2.2四旋翼飞行器在现有手动遥控四旋翼飞行器基础上，并结合我校大测绘、大交通的行业背景，我院四旋翼飞行器的研究方向主要集中在航拍、自动与自主飞行控制技术两方面。1、航拍无人机航拍摄影是以无人机作为空中平台，搭载高分辨率CCD数码相机、轻型光学相机、红外扫描仪，激光扫描仪、磁测仪等设备获取信息，用计算机对图像信息进行处理，并按照一定精度要求制作成图像，是集成了高空拍摄、遥控、遥测技术、视频影像微波传输和计算机影像信息处理的新型应用技术。无人机航拍影像具有高清晰、大比例尺、小面积、高现势性的优点，广泛应用于国家生态环境保护、矿产资源勘探、海洋环境监测、土地利用调查、水资源开发、农作物长势监测与估产、农业作业、自然灾害监测与评估、城市规划与市政管理、森林病虫害防护与监测、公共安全、国防事业、数字地球以及广告摄影等领域。主要技术指标：相对距离：≥250米；飞行速度：≥15米/秒；拍摄时间：≥10分钟；拍摄质量：720p或更高；数据格式：图像、图片、GPS数据。2、自动与自主飞行控制技术自主飞行技术多年来一直是航空领域研究的热点，并且在实际应用中存在大量的需求。我院目前已实现四旋翼飞行器的手动遥控，在此基础上，改进现有的四旋翼飞行器，根据预先确定的航路和规划的任务，在地面站的帮助下使其具有较强抗干扰和环境自适应能力，扩展在相对确定环境下的自动控制与自主控制能力，实现在多种环境中快速、平稳飞行，甚至能高质量的完成空中悬停、低速平飞等高难度飞行动作。主要技术指标：相对距离：≥250米；飞行速度：≥15米/秒；滞空时间：≥15分钟；悬停位置误差：1米；惯性单元精度：静态±1°、动态±3°；悬停精度：≤1.0米。3研究内容3.1机架结构1、3D打印机机架对现有笛卡尔坐标形式的机架进行工业外观设计，同时研制并联式3D打印机机架结构形式，在虚拟设计仿真的基础上进行样机研制。2、四旋翼飞行器机架采用X字飞行模式，初期进行简单的三维设计，通过理论数据分析，进行下一步的改进，四轴选用注塑型材，优点是价格低廉，方便安装，结构可靠。需要高要求时采用碳纤维管。3.2控制系统1、3D打印机控制系统使用ATmega2560作为主控芯片，设计相应的温控电路、电机驱动电路、冷却电路、LCD与按键电路、限位开关电路、SD读卡器电路等，并在现有控制程序的基础上更好地实现多电机的PWM控制和挤出头恒温控制算法等关键技术。2、四旋翼飞行器控制系统在现有飞控系统基础上增加新的功能，支持3轴、4轴、6轴等旋翼式飞行器，实现多种模式飞行，如定高模式，定点模式，一键回航等。支持航点规划，初步达到无人机水准。实现地面站控制飞行、摇杆控制飞行和遥控器控制飞行，并具有较高的操作稳定性。