数控技术设计开发方案.docx

数控技术分析思考题
把数控技术原理与某种机电产品或装置相结合，提出一种新的产品或装置的设计开发方案。

引文
据路透社的统计数据显示，中国无人机制造公司大疆创新的产品在美国商用无人机市场占据领先地位，市场份额达47%，遥遥领先于排名第二的竞争对手。而在全球商用无人机市场中，大疆更是独领风骚，一举夺得近70%的市场份额，无疑大疆已成为无人机里的领军人物。
下面我将以民用领域行业应用无人机为例，与数控技术原理相结合，提出设计方案

一、无人机介绍
无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。从技术角度定义可以分为：无人直升机、 无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机等。 
无人机按应用领域，可分为军用与民用。军用方面，无人机分为侦察机和靶机。无人机+行业应用，是无人机真正的刚需。目前在航拍、农业植保、测绘等领域的应用，大大的拓展了无人机本身的用途。
二、无人机应用前景
从小型无人机的应用领域上来看，已经由原来的以发烧友和爱好者为主的娱乐功能向航拍、搜救甚至物流等领域发展，市场空间大大拓展。
娱乐功能主要看重无人机的飞行稳定性，技术上难度不大。尽管目前市场规模还不大，但却是无人机应用的“前头兵”，对于整个行业的初期发展功不可没。
航拍功能要求无人机的稳定性、续航能力和装载能力目前已经得到广泛重视。例如，节目《爸爸去哪儿》中的俯拍大都是由大疆的Phantom无人机完成，这款无人机只需要1万元；好莱坞原来使用直升机拍摄电影，租金高达每小时2万美金，而使用大疆的无人机以后，成本大大降低，甚至由此产生了专门的航拍产业。
搜寻功能要求无人机能够识别目标并发回反馈，灾难预防则要求能够无人机处理地面数据，在技术上的要求比较高，但是市场潜力也不小，例如，山西省已经利用无人机建立了灾难预警系统。
物流功能要求无人机能安全稳定地飞行、准确识别目标，并能应对途中各种突发情况，技术要求最高，目前仍有很大难度。但一旦实现，物流效率会得到极大提升，如亚马逊PrimeAir服务利用小型无人飞行器drones，送货速度可以达到50英里/小时。这一部分市场空间很大，但是受制于安全以及成本因素，目前应用还很少。
三、已有产品分析
以大疆的其中最低顶尖的一款产品Inspire1为例，分析其中的优缺点及可改进之处：

基本性能

型号
Inspire 1
产品类型
无人机
无人机类型
专业级无人机
轴距
559-581mm
飞行时间
18分钟
像素
1240万
镜头
f/2.8(20mm等效焦距),9组9片(含一片非球面透镜),蓝玻璃滤光片,UV滤镜
视频最大分辨率
4096×2160
支持存储卡类型
SD/SDHC/SDXC Micro SD卡;最大支持64GB容量,传输速度Class 10及以上
增稳云台
是
主要参数
[相机]名称:X3
型号:FC350
录影FOV:94°
传感器:SONY EXMOR 1/2.3"
拍摄模式:单张拍摄,多张连拍(BURST:3/5/7张,AEB:3/5张 @0.7EV步长),定时拍摄

（1）
其它性能

其它性能
悬停精度(可安全飞行状态):垂直0.5米,水平:2.5米
最大旋转角速度:俯仰轴300°/秒,航向轴:150°/秒
最大俯仰角度:35° 最大上升速度:5米/秒 最大下降速度:4米/秒
最大水平飞行速度:22米/秒(ATTI模式下,海平面附近无风环境)
最大飞行海拔高度:4500米 最大可承受风速:10米/秒
室内定位悬停:标配 云台安装方式:可拆式
工作环境温度:-10℃至40℃ 角度抖动量:±0.03°
可控转动范围:俯仰-90°至+30°,水平±320°
结构设计范围:俯仰-125°至+45°,水平±330°
最大控制转速:俯仰120°/秒,水平180°/s
尺寸
最大外形尺寸:438×451×301mm
重量
2935g(含电池)
由以上性能参数及其他测评结果来看：
优点：1、配备高强度碳纤机臂，可以带动四个螺旋桨在空中升起，变形收起的起落架让相机360度无遮挡。支持两个遥控器协同工作，并支持两个移动设备实时显示，飞行和相机的操控相互独立
2、单目悬停助手，即使是在室内无GPS信号的情况下也能实现精准定高定位悬停。内置传感器可以精准判断飞机的位置和高度，在降落时系统会自动触发脚架下落。标配大容量智能电池，内置智能电池管理系统。
3、在飞行过程中，App上会实时显示剩余的电池电量，系统会自动分析并计算返航和降落所需的电量和时间，免除时刻担忧电量不足的困扰。
缺点：（以数控技术原理为原则）1、只能人工手动操作，实际拍摄效果难以保持稳定，需反复多次进行拍摄。
2、虽然安装有GPS，但仍有飞行迷失情况发生，即无人机超出遥控控制范围消失不见。
3、无自动控制功能，无法进行预定轨迹的运动。

四、新产品设计目标及要求
把数控技术原理与上文中已有无人机Inspire1相结合，针对原产品已有优缺点的分析，现将其他基本参数与原产品基本保持不变，新目标及新要求为：
1、 能预设飞行轨迹，使无人机按照预定轨迹运动，即无人机的预定轨迹巡航。
2、 具有直线、圆弧、翻转、俯仰等多种飞行状态，并能实现多种飞行状态的排列组合，以简便人工操作
3、 自动返航功能，在无人机移动至遥控操作范围时，根据分析并计算返航和降落所需的电量和时间的结果，自动判断是否自动返航。
4、 自动操作功能可以随时被人工操作中止，并对已设轨迹或功能随时修改。

五、新产品功能实现
已有操作模式：人工操作
已有基本功能：1、原无人机已有上升、下降、旋转、俯仰、水平飞行等六个飞行状态。
2、内置传感器可以精准判断飞机的位置和高度，在降落时系统会自动触发脚架下落，能实现精准定高定位悬停。
3、内置智能电池管理系统,在飞行过程中，App上会实时显示剩余的电池电量，系统会自动分析并计算返航和降落所需的电量和时间。
4、内有基于GPS定位的室外导航系统。

为实现新功能新要求，针对原无人机的工作方式，现加入测量反馈装置，形成闭环控制系统：

1、 为能实现预设飞行轨迹，使无人机按照预定轨迹运动，即无人机的预定轨迹巡航的功能，应在控制介质（遥控器）中加入编程功能，并在无人机飞行时，将连续的飞行轨迹，自动分为若干个均匀的预定点。飞行过程中，测量反馈装置（GPS）对实际位置进行测量并将结果传输到数控装置，数控装置不断分析判断并对实际飞行轨迹进行调整，以达到预定轨迹要求。
2、 为实现能实现多种飞行状态的排列组合，以简便人工操作的要求，具体思路与1中预设飞行轨迹类似。
3、 实现自动返航功能，根据测量反馈系统（GPS）所测遥控器与无人机的实际位置，在无人机移动至遥控操作范围时，再根据分析并计算返航和降落所需的电量和时间的结果，自动判断是否自动返航，返航过程也可视为1中预定轨迹的直线飞行轨迹。
4、 自动操作功能可以随时被人工操作中止，并对已设轨迹或功能随时修改，也就是控制介质随时中断GPS反馈的结果，变为现在原有基础操作模式。

其中仍有部分问题未解决：1、高大建筑物及树木遮挡无人机的飞行，2、较为复杂的情况仍只能采用人工操作。
为解决这两个问题，必须实现自主飞行（解释如下）。
附：自主飞行（更高级的数控技术目标）——感知-控制技术是机器人自主能力的基础。根据国际标准化组织的定义，机器人的自主能力是指机器在无人干预下，可以根据当前的状态和感知信息执行任务的能力。很多情况下，根据机器人的类型和要其预期的用途，对机器人自主性的要求也不尽相同。例如，虽然地面上那些连着插座固定式的机器人不必关心能量管理问题，但对于长距离工作的移动式机器人尤其是无人机而言，知道何时要停下当前任务去给自己充点电的能力就很重要了。其中利用的技术较为复杂，基于仿生学的视觉技术，如复眼定焦，利用低分辨率但较多的摄像机，在民用无人机领域难以实现。

六、总结
科技的发展日新月异，我们身边的机电产品越来越自动化，智能化，无人机的发展也是如此，在分析无人机的过程中实际上也参考了部分无人驾驶汽车的原理，这二者殊途同归。未来的无人机也会跟无人驾驶汽车一样，通过车（机）载传感系统感知道路环境，自动规划行车（飞行）路线并控制车辆（无人机）到达预定目标。
无人驾驶汽车是利用车载传感器来感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息，控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶，它是集自动控制、体系结构、人工智能、视觉计算等众多技术于一体，是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物。