機電一體化專業的論文
機電一體化專業的畢業論文【一】
摘要：針對職專生知識程度參差不齊，理論基礎水平較薄弱的特點，面對復雜且枯燥的理論推導以及難記的式子，學生往往缺乏學習熱情。所以，在教學過程中應采用重實踐、輕理論策略，有利于激發學生的學習熱情，通過實踐掌握理論，在實踐中鞏固理論，用理論指導實踐，從而達到較好掌握知識的目的。
關鍵詞：職專機械;觀察力;觀念轉變
學生在學習機械專業理論課程時.因缺乏對機械的感性認識感到困難重重，容易喪失學習動力。對此，教師應變繁瑣、抽象的理論為生動實例，從多方面調動學生的學習積極性.從而提高教學實效。
一、課中設疑，辯析中獲得知識
每節課的教學，要在創設懸念中進行，要制造良好的心理態勢和思維環境，誘發學生的好奇心，滿足他們對知識的關切和渴求的內心需求。我們知道。思維從疑問中來.學習中有疑問，才會有求知欲。教師應在教學中適時設置一些有關的懸念，進行課堂設疑，創設課堂疑問情境。使學生在辯析中獲得知識，爭論中得以提高，商討中增強能力。例如。現在的學生基本上都會騎自行車，講解棘輪單向超越離合器的結構和原理時，筆者根據學生的生活經驗設置了這樣的問題：人騎自行車時反方向轉動踏板，能否使自行車倒退行駛?讓學生思考、討論這一現象.通過學生常見但從沒有深入想過的現象，把學生吸引到探求結果的興趣中來。
二、促進教師教學觀念的轉變
在新課程實施中.教師的觀念發生了變化.由傳統的“領導者”、“權威”、“知識擁有者”向課堂教學的“參與者”學生學習的“首席助手”轉變。教學內容是開放的。教師可以根據學生特點和教學的實際情況靈活地組織教學內容.教學組織靈活多變，通過班級授課，小組合作與個別輔導的參差互用，結合使用，充分發揮教學組織形式應有的教學效能。為學生的個體活動提供更廣闊、更充裕的條件，教學管里更大民主，教學手段更加多樣化，教學評價轉向多元化。
三、指導與觀察結合，培養學生的觀察力
《機械基礎》所講授的知識在日常生活、生產中都有廣泛的應用。在講授每個章節內容前。可組織學生觀察已有的各種機械設備。例如，學校內的車床、銑床、刨床、磨床。或參觀機械廠的機器、紡織廠的機修車間等，觀察各種機器的機械結構和各種機構的工作過程。參觀前根據所學內容、機械設備、機構特點做好指導工作.讓學生帶著問題參觀，帶著目的觀察.以明確參觀目的，提高學習效率。又如，講授平面四桿機構時.可以組織學生參觀牛頭刨床。觀察牛頭刨床滑枕的結構和運動方式.得出牛頭刨床的橫向進給機構是以曲柄為主動件的曲柄搖桿機構.而牛頭刨床中滑枕的往復移動是通過擺動導桿機構實現的.且運動具有急回特性;在講授機構的死點位置時 可以安排學生觀察縫紉機的踏板機構，得出該機構是以搖桿為主動件的曲柄搖桿機構.同時通過讓學生參與操作.讓學生對死點位置產生感性認識。
四、在教學過程中應重實踐、輕理論;抓基礎、促提高
針對職專生知識程度參差不齊.理論基礎水平較薄弱的特點，面對復雜且枯燥的理論推導以及難記的式子.學生往往缺乏學習熱情。所以。在教學過程中應采用重實踐、輕理論策略，有利于激發學生的學習熱情。通過實踐掌握理論，在實踐中鞏固理論.用理論指導實踐.從而達到較好掌握知識的目的。如在《機械基礎》教學中，其主要目的是使學生學習并掌握機械器件的特性、使用、測試方法以及工作原理等。但是，一般學校由于經費不足等種種原因.實驗室設備簡陋老舊，損壞嚴重，實驗條件差。提不起學生的實驗興趣.往往應付了事，做過后就忘了。這樣辛辛苦苦準備半天的實驗卻收不到應有的效果。若能把一些實際單元電路小制作搬到課堂上，在單元電路中針對性地把教材需要掌握的知識融合起來，就會使學生在實驗中掌握要學的知識。
五、教學方法的改革
隨著教育觀念的更新，不斷探討新的教學方法和模式，是保障教學模式改革成功的重要重要條件。職業中專的教學重點應該放在對學生學習方法和學習能力的培養上，以實踐為先導.逐步培養學生不斷探究學習的精神。
1.加強先進教學手段的運用，進一步提升現代化教學水平。
隨著現代計算機技術的發展.工業界已在產品的設計、制造領域廣泛地使用虛擬、仿真等技術。職業中專的教學應努力開發實踐教學CAI，并引進先進的繪圖和模擬仿真軟件.提高基礎實驗、實訓內容的科技含量。同時通過虛擬仿真、局域網互動教學等先進的教學方法.使學生感受先進的教學思想和方法 讓學生在現代化教學環境中學到更多的新知識、新技術。
2.不斷跟蹤行業新技術，加強現場環境對教學環境的滲透。
職業教育的特點是要求學生在校期間就能完成就業崗位能力訓練.盡量縮短上崗適應期。在教學中要注意模擬工廠現場環境.建立穩定的校外實習基地，促使學生不斷學習新的技術。培養扎實的基礎技能，使學生能迅速適應以后遇到的工廠真實環境(包括設備、工藝、技術、生產組織管理形式等)。經過訓練.使學生技術新、適應期短、上手快，才能深受用人單位歡迎。
3. 加強實驗、實訓基地的建設。
系統的、相對獨立的實踐教學和考核體系要依賴于先進、完善的校內實驗實訓設施來實施。職業中專要十分重視校內實訓基地建設.并以“有特色、先進而完善”作為實踐教學基地建設的標準。
基于深度信息的自主空中加油相對位姿控制技術研究【二】
第 1 章 緒 論
由于無人機的廣泛使用，從根本上消除了飛行員疲勞耐受時間對執行飛行任務的制約和影響，繼而燃油的消耗成為了影響無人機執行任務時間的主要因素[1]。因此，無人機自主空中加油(Autonomous Aerial Refueling ，AAR)技術成為了實現長航時無人機遠程戰略任務的核心技術之一。美國國防部高級研究計劃署(DARPA)等部門相繼開展了此類研究，并于近日完成了兩架改進型 RQ-4“全球鷹”無人機的近距編隊飛行測試工作，對該型無人機的空中自主互助加油技術進行了成功驗證，使其續航時間從之前的 41 個小時延長至160 個小時以上，美國率先實現無人機的空中加油，不僅在技術上是一項里程碑式的突破，在戰略上也極具意義[2]。
自主空中加油技術又由高動態環境下的位姿估算、飛行控制和數據傳輸等技術組成[3]。根據我國無人機自主空中加油技術研究發展的現狀，本課題結合國家 863 高技術研究發展項目子項目“重載荷智能化物探專用無人直升機研制”(2013AA063903)，以為無人機自主空中加油技術中的關鍵問題之一，同時也是首要任務的加油機和受油機相對位姿控制為主要研究目標，對基于深度信息的位姿估算的可行性，數據處理方法手段、誤差分析和實物仿真模型點云數據處理的實驗設計驗證等問題進行系統深入的研究，并在此基礎上針對自主空中加油中受油機區別與正常飛行狀態下的個性飛行控制問題進行研究，即如何規劃相對位姿控制的飛行路線以確保相對位姿估算的魯棒性，如何控制受油機在各種干擾條件下按規劃路線飛行，通過對受油機的控制來保證相對位姿估算的準確性與魯棒性，同時力圖將有人機飛行員空中加油的綜合判斷與控制策略引入到相對位姿控制閉環中，將有人機飛行員經驗優勢與無人機的技術優勢有機地結合在一起。
1.1 研究背景及意義
隨著科學技術的不斷進步，推動了無人機系統的爆炸式發展[4]，由此世界各國紛紛意識到無人機在未來的廣闊應用空間。美國軍方率先提出到 2040 年所有軍機都可以實現無人駕駛操控。由此無人機自主空中加油技術可大幅提高無人機的滯空時間，對提高無人機的使用性能居有重大的現實意義。我國在 1992 年完成了首次有人操縱飛機空中加油對接，成為第 5 個獨立掌握空中加油技術的國家，并于 2005 年首次成功實施多噸量有人操縱飛機空中加油，目前我國對無人機自主空中加油技術的理論研究正處于有計劃的發展階段[5]。盡管在近十年的時間內，對無人機自主空中加油的關鍵性問題——加受油機相對位姿估計研究已有了相當的研究成果和具體的應用，但大都或多或少的存在一些缺陷與不足，主要包括過度依賴 GPS 信息，平面視覺傳感器容易受到天氣等外界因素影響等問題。而基于深度信息三維快速成像(Flash LIDAR)技術的出現恰恰可以減少和消除上述問題，為無人機自主空中加油中的位姿估算與控制提供非相似余度的可靠數據源。同時國內外對基于ToF 技術的三維快速成像技術在空間領域的應用研究基本上也處于正在進行時，要最終形成成熟的應用技術，還可能需要更具針對性的創新性的研究，如針對加油機模型的點云數據算法和如何確保相對位姿估算穩定性與準確性的研究。在我國迫切需要長航時無人機的背景下，啟動一些無人機自主空中加油關鍵支撐技術的研究是非常必要的。
1.2 自主空中加油的研究現狀
1.2.1 空中加油的典型方式
無人機自動空中加油技術是基于傳統的有人駕駛飛機空中加油技術發展而來的。有人駕駛飛機空中加油技術有 2 種實現方式：軟管式和硬管式加油[6]。
(1)軟管式加油(Probe and Drogue Refueling)
軟管式加油根據英文翻譯又稱作插頭-錐套式加油。在此種加油過程中，對接控制主要由受油機完成，當受油機上的插頭插入加油機軟管上的錐套后，錐套上的機械自鎖裝置可將插頭鎖緊以確保加受油機的可靠對接。如圖 1.1(a)所示，一架 F/A-18 受油機正在通過機身上伸出的受油插頭與 KC-10 加油機伸出軟管上的錐套相對接，來完成空中加油。圖 1.1(b)顯示的是插頭和錐套的近景圖[7-9]。中國空軍、美國海軍和海軍陸戰隊等均采用的是該種加油方式。
(2)硬管式加油(Flying Boom Refueling)
硬管式加油根據英文翻譯又稱作飛桁式加油，在此種加油過程中，受油機要完成的主要任務是在加油機尾部保持編隊飛行，而加油機上的加油操作員操作飛桁插入受油機背部的受油口內來實現空中加油。如圖 1.2(a)所示，一架 F22 受油機正在與 KC-135 加油機伸出的飛桁相對接，來完成空中加油。圖 1.2(b)顯示的是 F22 機背的受油口和飛桁的近景圖[7-10]。美國空軍采用的是該種加油方式。
1.2.2 自主空中加油的發展概況
隨著無人機遂行任務的多樣化，無人機自主空中加油技術受到了越來越多的重視，相關的研究也隨即展開，目前自主空中加油仍然處于理論研究和試飛驗證相迭代的過程，與自主加油的飛行控制等問題相比，其中的核心難點問題仍然是提高加受油相對位姿估算的準確性、可靠性和穩定性。這是由于空中加油的飛行控制可將成熟飛行員的空中加油的操作經驗等知識通過計算機描述出來，而相對位姿估算首先要尋找到可以代替人眼的可靠數據源，其次要實現數據源的權重分配，連續可靠的運算處理、風險識別等動態權衡博弈工作，這些恰恰都是計算機所不擅長的。綜上所述，由于相對位姿控制是一個連續的估算—決策—控制的閉環，控制是為估算提供更有利穩定的條件，而估算是下一步控制的基礎，因此相對位姿估算與控制二者相輔相成缺一不可。
邊界合理分配控制權限，將控制信息傳遞給飛控系統來實現自主空中加油。在無人機自主空中加油的過程中，加油機和受油機(即無人機)之間的相對位姿估計是否精確是決定空中加油成敗的關鍵性因素。
為此，在系統中增加了一種非相似余度三維光學測量系統——Flash LIDAR 來測量二者相對距離和姿態。Flash LIDAR 輸出的 3D 點云形式的深度信息經圖像處理后，可通過卡爾曼濾波等多傳感器信息融合算法來提高 AAR 系統可靠性和容錯性。由于篇幅限制本文就只對 Flash LIDAR 系統的測量、信號處理、方位估計和控制等問題進行研究。
2.2 相對位姿估算問題描述
2.2.1 自主空中加油過程描述
研究自主空中加油相對位姿估算問題首先要對加受油機空中加油時的飛行過程進行分解細化，有針對性的研究相對位姿估算在不同的自主空中加油飛行階段的側重點。目前兩種典型的空中加油方式分別是軟管式和硬管式空中加油。歸納總結兩種加油方式在空中加油飛行過程中的特點，如表 2.1 所示。
由表 2.1 可知軟管式和硬管式空中加油的共同點在于均要經歷編隊飛行加油機接近受油機的過程，因此必須首先對二者編隊飛行的情況進行研究，以確定合理的加油機圖像特征提取方案，在確保位姿估計準確性的前提下提高信號處理效率。圖 2.2 為空中加油編隊示意圖。加油機與受油機置于笛卡爾坐標系中，其原點 O 為受油機上深度信息傳感器的安裝位置。
在自主空中加油的會合階段受油機從任務空域轉向加油空域，如圖 2.2 所示，在兩倍預接觸(Twice pre-contact)位置加油機應捕捉到受油機的方位和航向，并根據加油機的位姿變化逐漸接近受油機到達預接觸(pre-contact)位置。預接觸位置處于加油機的后下方，在此位置受油機與加油機之間通常具有大約 50 英尺水平和 10 英尺垂直的安全距離。作為自主空中加油起點的兩倍預接觸位置的信息可由地面站傳送給受油機，也可以通過加受油機之間的數據鏈路實現傳輸。對接階段是受油機從預接觸位置逐漸接近加油機至接觸位置的過程，如圖 2.2 所示，并且在接觸位置與加油機之間保持穩定的編隊飛行狀態。
根據空中加油編隊飛行四個階段的任務要求可知相對位姿估算不但要完成在會合階段、對接階段和加油階段加受油機之間的相對導航的任務，而且還要在高動態條件下預測加受油機之間相對位姿的變化率以確保加受油機編隊飛行的安全。為了實現穩定可靠的相對位姿估算，因此要將飛行員在實際空中加油過程中眼腦的計算判斷加受油機之間相對位姿變化的經驗知識轉化為計算機自動處理算法。因此歸納總結在空中加油不同階段相對位姿估算任務如下列要求，如表 2.2 所示。
由表 2.2 可知，加受油機相對位姿估算在會合、對接和加油階段具體任務各有不同，在會合階段其主要任務是使加油機快速跟蹤并對準加油機航跡。在對接和加油階段其主要任務是計算受油機相對加油機的速度和加速度，在確保安全的前提下保持編隊飛行。綜上所述，獲取時空連續的三維點云圖像圖像序列是完成相對位姿估算任務的必要條件。在本章中為了系統的闡述深度信息相對位姿估算的原理，不考慮視角問題。圖 2.3 為在虛擬現實環境下生成的受油機在預對接位置時觀測到的加油機平面圖像信息。該圖與深度信息傳感器輸出的信號主要區別在于其無法提供深度信息。但是我們依然可以從中得到啟發，平尾、垂尾和機翼等部位能提取出近似于平面的形狀特征。
......
第 3 章 空中加油環境建模與定位問題分析.................44
3.1 空中加油環境建模概述 ..............................44
3.2 影響環境建模的因素 ...............................45
3.2.1 傳感器測量噪聲 .................................45
第 4 章 受油機參考軌跡規劃研究 .........................70
4.1 受油機參考軌跡規劃 .................................71
4.1.1 受油機動力學方程與運動方程 ......................71
4.1.2 軌跡規劃中的約束條件 ............................73
第 5 章 基于自抗擾控制的相對位姿控制律設計.............96
5.1 自抗擾控制基本原理 .................................96
5.1.1 ADRC 數學模型 ....................................97
5.1.2 跟蹤微分器(TD) .................................97
第 5 章 基于自抗擾控制的相對位姿控制律設計
在第 4 章研究在加油機尾流、陣風和受油機質變等干擾下如何確保根據相對位姿估算和受油機反饋規劃出一條向加油機逼近的參考軌跡控制算法的基礎上，本章主要研究在加油機尾流、陣風和受油機質變等干擾下如何確保受油機安全、穩定和準確的沿參考軌跡完成對接加油任務。通過前面的分析可知，穩定的飛行控制與合理的參考軌跡規劃是相輔相成的，由于在空中加油飛行狀態下的飛機是一個多變量、強耦合、非線性、不確定性對象，如何抑制這些干擾的影響，控制受油機按參考軌跡飛行是實現自主空中加油任務的最終目的。
本章采用自抗擾控制(Active Disturbances Rejection Control, ADRC)方法來設計空中加油飛行控制律。自抗擾控制的特點在于它對非線性耦合和不確定性采用“觀測+補償”的方法進行處理，而且它的觀測基本上不依賴于對象的模型。這種特征使自抗擾控制特別適合應用于空中加油控制問題。
5.1 自抗擾控制基本原理
基于狀態空間描述的現代控制理論在上個世紀六、七十年代得到迅速發展，尤其是對線性系統，在分析和綜合方面從理論上均給出了很多完美的結論。很多學者因此預言，基于現代控制理論的新型控制器可能在短時間內取代基于經典調節理論的 PID 調節器。但實踐表明，以 PID 控制律為基礎的各種調節器仍然保持主導地位，在工業過程控制、運動控制、航天控制等領域中，大部分控制器都采用 PID 調節器[97]。PID 調節理論對對象數學模型的依賴程度很小，只需要依據對象的一些基本特征通過調節 PID
早在 2004 年美國空軍的 Ross 和 Spinelli 就針對自主空中加油中加受油機編隊飛行控制開展理論研究，其主要是采用差分 GPS 以加油機作為坐標原點，來驗證在預對接和對接過程中受油機與加油機自主編隊飛行和相對位姿估算能力，經計算得出二者相對位置誤差不超過 0.1m，并且該方案在以 Calspan Learjet 作為受油機和以 C-12 作為加油機試飛中得以成功驗證(如圖 1.3 所示)。該研究結果表明 GPS 可作為加油油機相對位姿估算的數據源[11-12]。
第 2 章 相對位姿估算問題描述與數學模型
2.1 基于深度信息的相對位姿控制基本方案
基于深度信息、INS 和 GPS 的自主空中加油原理方框圖如圖 2.1 所示，相對位姿估算控制器利用不同數據源提供的信息預測加受油機之間的相對位姿變化，根據自主空中加油的任務要求和編隊飛行安全
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