机电一体化专业的论文
机电一体化专业的毕业论文【一】
摘要：针对职专生知识程度参差不齐，理论基础水平较薄弱的特点，面对复杂且枯燥的理论推导以及难记的式子，学生往往缺乏学习热情。所以，在教学过程中应采用重实践、轻理论策略，有利于激发学生的学习热情，通过实践掌握理论，在实践中巩固理论，用理论指导实践，从而达到较好掌握知识的目的。
关键词：职专机械;观察力;观念转变
学生在学习机械专业理论课程时.因缺乏对机械的感性认识感到困难重重，容易丧失学习动力。对此，教师应变繁琐、抽象的理论为生动实例，从多方面调动学生的学习积极性.从而提高教学实效。
一、课中设疑，辩析中获得知识
每节课的教学，要在创设悬念中进行，要制造良好的心理态势和思维环境，诱发学生的好奇心，满足他们对知识的关切和渴求的内心需求。我们知道。思维从疑问中来.学习中有疑问，才会有求知欲。教师应在教学中适时设置一些有关的悬念，进行课堂设疑，创设课堂疑问情境。使学生在辩析中获得知识，争论中得以提高，商讨中增强能力。例如。现在的学生基本上都会骑自行车，讲解棘轮单向超越离合器的结构和原理时，笔者根据学生的生活经验设置了这样的问题：人骑自行车时反方向转动踏板，能否使自行车倒退行驶?让学生思考、讨论这一现象.通过学生常见但从没有深入想过的现象，把学生吸引到探求结果的兴趣中来。
二、促进教师教学观念的转变
在新课程实施中.教师的观念发生了变化.由传统的“领导者”、“权威”、“知识拥有者”向课堂教学的“参与者”学生学习的“首席助手”转变。教学内容是开放的。教师可以根据学生特点和教学的实际情况灵活地组织教学内容.教学组织灵活多变，通过班级授课，小组合作与个别辅导的参差互用，结合使用，充分发挥教学组织形式应有的教学效能。为学生的个体活动提供更广阔、更充裕的条件，教学管里更大民主，教学手段更加多样化，教学评价转向多元化。
三、指导与观察结合，培养学生的观察力
《机械基础》所讲授的知识在日常生活、生产中都有广泛的应用。在讲授每个章节内容前。可组织学生观察已有的各种机械设备。例如，学校内的车床、铣床、刨床、磨床。或参观机械厂的机器、纺织厂的机修车间等，观察各种机器的机械结构和各种机构的工作过程。参观前根据所学内容、机械设备、机构特点做好指导工作.让学生带着问题参观，带着目的观察.以明确参观目的，提高学习效率。又如，讲授平面四杆机构时.可以组织学生参观牛头刨床。观察牛头刨床滑枕的结构和运动方式.得出牛头刨床的横向进给机构是以曲柄为主动件的曲柄摇杆机构.而牛头刨床中滑枕的往复移动是通过摆动导杆机构实现的.且运动具有急回特性;在讲授机构的死点位置时 可以安排学生观察缝纫机的踏板机构，得出该机构是以摇杆为主动件的曲柄摇杆机构.同时通过让学生参与操作.让学生对死点位置产生感性认识。
四、在教学过程中应重实践、轻理论;抓基础、促提高
针对职专生知识程度参差不齐.理论基础水平较薄弱的特点，面对复杂且枯燥的理论推导以及难记的式子.学生往往缺乏学习热情。所以。在教学过程中应采用重实践、轻理论策略，有利于激发学生的学习热情。通过实践掌握理论，在实践中巩固理论.用理论指导实践.从而达到较好掌握知识的目的。如在《机械基础》教学中，其主要目的是使学生学习并掌握机械器件的特性、使用、测试方法以及工作原理等。但是，一般学校由于经费不足等种种原因.实验室设备简陋老旧，损坏严重，实验条件差。提不起学生的实验兴趣.往往应付了事，做过后就忘了。这样辛辛苦苦准备半天的实验却收不到应有的效果。若能把一些实际单元电路小制作搬到课堂上，在单元电路中针对性地把教材需要掌握的知识融合起来，就会使学生在实验中掌握要学的知识。
五、教学方法的改革
随着教育观念的更新，不断探讨新的教学方法和模式，是保障教学模式改革成功的重要重要条件。职业中专的教学重点应该放在对学生学习方法和学习能力的培养上，以实践为先导.逐步培养学生不断探究学习的精神。
1.加强先进教学手段的运用，进一步提升现代化教学水平。
随着现代计算机技术的发展.工业界已在产品的设计、制造领域广泛地使用虚拟、仿真等技术。职业中专的教学应努力开发实践教学CAI，并引进先进的绘图和模拟仿真软件.提高基础实验、实训内容的科技含量。同时通过虚拟仿真、局域网互动教学等先进的教学方法.使学生感受先进的教学思想和方法 让学生在现代化教学环境中学到更多的新知识、新技术。
2.不断跟踪行业新技术，加强现场环境对教学环境的渗透。
职业教育的特点是要求学生在校期间就能完成就业岗位能力训练.尽量缩短上岗适应期。在教学中要注意模拟工厂现场环境.建立稳定的校外实习基地，促使学生不断学习新的技术。培养扎实的基础技能，使学生能迅速适应以后遇到的工厂真实环境(包括设备、工艺、技术、生产组织管理形式等)。经过训练.使学生技术新、适应期短、上手快，才能深受用人单位欢迎。
3. 加强实验、实训基地的建设。
系统的、相对独立的实践教学和考核体系要依赖于先进、完善的校内实验实训设施来实施。职业中专要十分重视校内实训基地建设.并以“有特色、先进而完善”作为实践教学基地建设的标准。
基于深度信息的自主空中加油相对位姿控制技术研究【二】
第 1 章 绪 论
由于无人机的广泛使用，从根本上消除了飞行员疲劳耐受时间对执行飞行任务的制约和影响，继而燃油的消耗成为了影响无人机执行任务时间的主要因素[1]。因此，无人机自主空中加油(Autonomous Aerial Refueling ，AAR)技术成为了实现长航时无人机远程战略任务的核心技术之一。美国国防部高级研究计划署(DARPA)等部门相继开展了此类研究，并于近日完成了两架改进型 RQ-4“全球鹰”无人机的近距编队飞行测试工作，对该型无人机的空中自主互助加油技术进行了成功验证，使其续航时间从之前的 41 个小时延长至160 个小时以上，美国率先实现无人机的空中加油，不仅在技术上是一项里程碑式的突破，在战略上也极具意义[2]。
自主空中加油技术又由高动态环境下的位姿估算、飞行控制和数据传输等技术组成[3]。根据我国无人机自主空中加油技术研究发展的现状，本课题结合国家 863 高技术研究发展项目子项目“重载荷智能化物探专用无人直升机研制”(2013AA063903)，以为无人机自主空中加油技术中的关键问题之一，同时也是首要任务的加油机和受油机相对位姿控制为主要研究目标，对基于深度信息的位姿估算的可行性，数据处理方法手段、误差分析和实物仿真模型点云数据处理的实验设计验证等问题进行系统深入的研究，并在此基础上针对自主空中加油中受油机区别与正常飞行状态下的个性飞行控制问题进行研究，即如何规划相对位姿控制的飞行路线以确保相对位姿估算的鲁棒性，如何控制受油机在各种干扰条件下按规划路线飞行，通过对受油机的控制来保证相对位姿估算的准确性与鲁棒性，同时力图将有人机飞行员空中加油的综合判断与控制策略引入到相对位姿控制闭环中，将有人机飞行员经验优势与无人机的技术优势有机地结合在一起。
1.1 研究背景及意义
随着科学技术的不断进步，推动了无人机系统的爆炸式发展[4]，由此世界各国纷纷意识到无人机在未来的广阔应用空间。美国军方率先提出到 2040 年所有军机都可以实现无人驾驶操控。由此无人机自主空中加油技术可大幅提高无人机的滞空时间，对提高无人机的使用性能居有重大的现实意义。我国在 1992 年完成了首次有人操纵飞机空中加油对接，成为第 5 个独立掌握空中加油技术的国家，并于 2005 年首次成功实施多吨量有人操纵飞机空中加油，目前我国对无人机自主空中加油技术的理论研究正处于有计划的发展阶段[5]。尽管在近十年的时间内，对无人机自主空中加油的关键性问题——加受油机相对位姿估计研究已有了相当的研究成果和具体的应用，但大都或多或少的存在一些缺陷与不足，主要包括过度依赖 GPS 信息，平面视觉传感器容易受到天气等外界因素影响等问题。而基于深度信息三维快速成像(Flash LIDAR)技术的出现恰恰可以减少和消除上述问题，为无人机自主空中加油中的位姿估算与控制提供非相似余度的可靠数据源。同时国内外对基于ToF 技术的三维快速成像技术在空间领域的应用研究基本上也处于正在进行时，要最终形成成熟的应用技术，还可能需要更具针对性的创新性的研究，如针对加油机模型的点云数据算法和如何确保相对位姿估算稳定性与准确性的研究。在我国迫切需要长航时无人机的背景下，启动一些无人机自主空中加油关键支撑技术的研究是非常必要的。
1.2 自主空中加油的研究现状
1.2.1 空中加油的典型方式
无人机自动空中加油技术是基于传统的有人驾驶飞机空中加油技术发展而来的。有人驾驶飞机空中加油技术有 2 种实现方式：软管式和硬管式加油[6]。
(1)软管式加油(Probe and Drogue Refueling)
软管式加油根据英文翻译又称作插头-锥套式加油。在此种加油过程中，对接控制主要由受油机完成，当受油机上的插头插入加油机软管上的锥套后，锥套上的机械自锁装置可将插头锁紧以确保加受油机的可靠对接。如图 1.1(a)所示，一架 F/A-18 受油机正在通过机身上伸出的受油插头与 KC-10 加油机伸出软管上的锥套相对接，来完成空中加油。图 1.1(b)显示的是插头和锥套的近景图[7-9]。中国空军、美国海军和海军陆战队等均采用的是该种加油方式。
(2)硬管式加油(Flying Boom Refueling)
硬管式加油根据英文翻译又称作飞桁式加油，在此种加油过程中，受油机要完成的主要任务是在加油机尾部保持编队飞行，而加油机上的加油操作员操作飞桁插入受油机背部的受油口内来实现空中加油。如图 1.2(a)所示，一架 F22 受油机正在与 KC-135 加油机伸出的飞桁相对接，来完成空中加油。图 1.2(b)显示的是 F22 机背的受油口和飞桁的近景图[7-10]。美国空军采用的是该种加油方式。
1.2.2 自主空中加油的发展概况
随着无人机遂行任务的多样化，无人机自主空中加油技术受到了越来越多的重视，相关的研究也随即展开，目前自主空中加油仍然处于理论研究和试飞验证相迭代的过程，与自主加油的飞行控制等问题相比，其中的核心难点问题仍然是提高加受油相对位姿估算的准确性、可靠性和稳定性。这是由于空中加油的飞行控制可将成熟飞行员的空中加油的操作经验等知识通过计算机描述出来，而相对位姿估算首先要寻找到可以代替人眼的可靠数据源，其次要实现数据源的权重分配，连续可靠的运算处理、风险识别等动态权衡博弈工作，这些恰恰都是计算机所不擅长的。综上所述，由于相对位姿控制是一个连续的估算—决策—控制的闭环，控制是为估算提供更有利稳定的条件，而估算是下一步控制的基础，因此相对位姿估算与控制二者相辅相成缺一不可。
边界合理分配控制权限，将控制信息传递给飞控系统来实现自主空中加油。在无人机自主空中加油的过程中，加油机和受油机(即无人机)之间的相对位姿估计是否精确是决定空中加油成败的关键性因素。
为此，在系统中增加了一种非相似余度三维光学测量系统——Flash LIDAR 来测量二者相对距离和姿态。Flash LIDAR 输出的 3D 点云形式的深度信息经图像处理后，可通过卡尔曼滤波等多传感器信息融合算法来提高 AAR 系统可靠性和容错性。由于篇幅限制本文就只对 Flash LIDAR 系统的测量、信号处理、方位估计和控制等问题进行研究。
2.2 相对位姿估算问题描述
2.2.1 自主空中加油过程描述
研究自主空中加油相对位姿估算问题首先要对加受油机空中加油时的飞行过程进行分解细化，有针对性的研究相对位姿估算在不同的自主空中加油飞行阶段的侧重点。目前两种典型的空中加油方式分别是软管式和硬管式空中加油。归纳总结两种加油方式在空中加油飞行过程中的特点，如表 2.1 所示。
由表 2.1 可知软管式和硬管式空中加油的共同点在于均要经历编队飞行加油机接近受油机的过程，因此必须首先对二者编队飞行的情况进行研究，以确定合理的加油机图像特征提取方案，在确保位姿估计准确性的前提下提高信号处理效率。图 2.2 为空中加油编队示意图。加油机与受油机置于笛卡尔坐标系中，其原点 O 为受油机上深度信息传感器的安装位置。
在自主空中加油的会合阶段受油机从任务空域转向加油空域，如图 2.2 所示，在两倍预接触(Twice pre-contact)位置加油机应捕捉到受油机的方位和航向，并根据加油机的位姿变化逐渐接近受油机到达预接触(pre-contact)位置。预接触位置处于加油机的后下方，在此位置受油机与加油机之间通常具有大约 50 英尺水平和 10 英尺垂直的安全距离。作为自主空中加油起点的两倍预接触位置的信息可由地面站传送给受油机，也可以通过加受油机之间的数据链路实现传输。对接阶段是受油机从预接触位置逐渐接近加油机至接触位置的过程，如图 2.2 所示，并且在接触位置与加油机之间保持稳定的编队飞行状态。
根据空中加油编队飞行四个阶段的任务要求可知相对位姿估算不但要完成在会合阶段、对接阶段和加油阶段加受油机之间的相对导航的任务，而且还要在高动态条件下预测加受油机之间相对位姿的变化率以确保加受油机编队飞行的安全。为了实现稳定可靠的相对位姿估算，因此要将飞行员在实际空中加油过程中眼脑的计算判断加受油机之间相对位姿变化的经验知识转化为计算机自动处理算法。因此归纳总结在空中加油不同阶段相对位姿估算任务如下列要求，如表 2.2 所示。
由表 2.2 可知，加受油机相对位姿估算在会合、对接和加油阶段具体任务各有不同，在会合阶段其主要任务是使加油机快速跟踪并对准加油机航迹。在对接和加油阶段其主要任务是计算受油机相对加油机的速度和加速度，在确保安全的前提下保持编队飞行。综上所述，获取时空连续的三维点云图像图像序列是完成相对位姿估算任务的必要条件。在本章中为了系统的阐述深度信息相对位姿估算的原理，不考虑视角问题。图 2.3 为在虚拟现实环境下生成的受油机在预对接位置时观测到的加油机平面图像信息。该图与深度信息传感器输出的信号主要区别在于其无法提供深度信息。但是我们依然可以从中得到启发，平尾、垂尾和机翼等部位能提取出近似于平面的形状特征。
......
第 3 章 空中加油环境建模与定位问题分析.................44
3.1 空中加油环境建模概述 ..............................44
3.2 影响环境建模的因素 ...............................45
3.2.1 传感器测量噪声 .................................45
第 4 章 受油机参考轨迹规划研究 .........................70
4.1 受油机参考轨迹规划 .................................71
4.1.1 受油机动力学方程与运动方程 ......................71
4.1.2 轨迹规划中的约束条件 ............................73
第 5 章 基于自抗扰控制的相对位姿控制律设计.............96
5.1 自抗扰控制基本原理 .................................96
5.1.1 ADRC 数学模型 ....................................97
5.1.2 跟踪微分器(TD) .................................97
第 5 章 基于自抗扰控制的相对位姿控制律设计
在第 4 章研究在加油机尾流、阵风和受油机质变等干扰下如何确保根据相对位姿估算和受油机反馈规划出一条向加油机逼近的参考轨迹控制算法的基础上，本章主要研究在加油机尾流、阵风和受油机质变等干扰下如何确保受油机安全、稳定和准确的沿参考轨迹完成对接加油任务。通过前面的分析可知，稳定的飞行控制与合理的参考轨迹规划是相辅相成的，由于在空中加油飞行状态下的飞机是一个多变量、强耦合、非线性、不确定性对象，如何抑制这些干扰的影响，控制受油机按参考轨迹飞行是实现自主空中加油任务的最终目的。
本章采用自抗扰控制(Active Disturbances Rejection Control, ADRC)方法来设计空中加油飞行控制律。自抗扰控制的特点在于它对非线性耦合和不确定性采用“观测+补偿”的方法进行处理，而且它的观测基本上不依赖于对象的模型。这种特征使自抗扰控制特别适合应用于空中加油控制问题。
5.1 自抗扰控制基本原理
基于状态空间描述的现代控制理论在上个世纪六、七十年代得到迅速发展，尤其是对线性系统，在分析和综合方面从理论上均给出了很多完美的结论。很多学者因此预言，基于现代控制理论的新型控制器可能在短时间内取代基于经典调节理论的 PID 调节器。但实践表明，以 PID 控制律为基础的各种调节器仍然保持主导地位，在工业过程控制、运动控制、航天控制等领域中，大部分控制器都采用 PID 调节器[97]。PID 调节理论对对象数学模型的依赖程度很小，只需要依据对象的一些基本特征通过调节 PID
早在 2004 年美国空军的 Ross 和 Spinelli 就针对自主空中加油中加受油机编队飞行控制开展理论研究，其主要是采用差分 GPS 以加油机作为坐标原点，来验证在预对接和对接过程中受油机与加油机自主编队飞行和相对位姿估算能力，经计算得出二者相对位置误差不超过 0.1m，并且该方案在以 Calspan Learjet 作为受油机和以 C-12 作为加油机试飞中得以成功验证(如图 1.3 所示)。该研究结果表明 GPS 可作为加油油机相对位姿估算的数据源[11-12]。
第 2 章 相对位姿估算问题描述与数学模型
2.1 基于深度信息的相对位姿控制基本方案
基于深度信息、INS 和 GPS 的自主空中加油原理方框图如图 2.1 所示，相对位姿估算控制器利用不同数据源提供的信息预测加受油机之间的相对位姿变化，根据自主空中加油的任务要求和编队飞行安全
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