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1、 基于STM32的四旋翼飛行控制器設(shè)計(jì)姓名: XX 學(xué)號(hào):54130XXXXXXX班級(jí):自動(dòng)化 摘 要隨著時(shí)代的發(fā)展,多旋翼飛行器越來(lái)越被廣泛的應(yīng)用在軍事、民用、以及科學(xué)研究等多個(gè)領(lǐng)域,同時(shí)其本身也向著高效、多功能化方面發(fā)展。四旋翼飛行器也稱(chēng)為四旋翼直升機(jī)又叫四軸飛行器,是一種有4個(gè)螺旋槳且螺旋槳呈十字形交叉的飛行器,可以搭配微型相機(jī)錄制空中視頻。四旋翼直升機(jī),國(guó)外又稱(chēng)Quadrotor, Four-rotor,4 rotors helicopter,X4-flyer等等,是一種具有四個(gè)螺旋槳的飛行器并且四個(gè)螺旋槳呈十字形交叉結(jié)構(gòu),相對(duì)的四旋翼具有相同的旋轉(zhuǎn)方向,分兩組,兩組的旋轉(zhuǎn)方向不同。與
2、傳統(tǒng)的直升機(jī)不同,四旋翼直升機(jī)只能通過(guò)改變螺旋槳的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作(目前,也出現(xiàn)可以改變螺距的四旋翼飛行器,這種控制方式比改變電機(jī)轉(zhuǎn)速更靈活方便)。一 四旋翼飛行基礎(chǔ)控制原理1.1 飛行動(dòng)力原理(圖2.1) ( 圖2.2 )四軸飛行器是一個(gè)在空間具有6個(gè)活動(dòng)自由度(分別沿3個(gè)坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作),但是只有4個(gè)控制自由度(四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速)的系統(tǒng),因此被稱(chēng)為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(只有當(dāng)控制自由度等于活動(dòng)自由度的時(shí)候才是完整驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))。不過(guò)對(duì)于姿態(tài)控制本身(分別沿3個(gè)坐標(biāo)軸作旋轉(zhuǎn)動(dòng)作),它確實(shí)是完整驅(qū)動(dòng)的。1.2 姿態(tài)分析因有兩對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向相反,可以平衡其對(duì)機(jī)身的反扭矩,當(dāng)同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的輸出功率,旋翼
3、轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大,當(dāng)總拉力足以克服整機(jī)的重量時(shí),四旋翼飛行器便離地垂直上升;反之,同時(shí)減小四個(gè)電機(jī)的輸出功率,四旋翼飛行器則垂直下降,直至平衡落地, (圖2.2.1) 實(shí)現(xiàn)了沿z軸的垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外界擾動(dòng)量為零時(shí),在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時(shí),飛行器便保持懸停狀態(tài)。保證四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速同步增加或減小是垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。電機(jī)1的轉(zhuǎn)速上升,電機(jī)3的轉(zhuǎn)速下降,電機(jī)2、電機(jī)4的轉(zhuǎn)速保持不變。為了不因?yàn)樾磙D(zhuǎn)速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變,旋翼1與旋翼3轉(zhuǎn)速該變量的大小應(yīng)相等。由于旋翼1的升力上升,旋翼3的升力下降,產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞y軸旋轉(zhuǎn)(方向如圖所示),同理,當(dāng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)
4、速下降,電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升,機(jī)身便繞y軸向另一個(gè)方向 (圖2.2.2)旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。 改變電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速,保持電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速不變,則可使機(jī)身繞x軸旋轉(zhuǎn)(正向和反向),實(shí)現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 (圖2.2.3) 四旋翼飛行器偏航運(yùn)動(dòng)可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)。旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中由于空氣阻力作用會(huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩,為了克服反扭矩影響,可使四個(gè)旋翼中的兩個(gè)正轉(zhuǎn),兩個(gè)反轉(zhuǎn),且對(duì)角線上的來(lái)年各個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān),當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí),四個(gè)旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡,四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí),不平衡的反扭矩會(huì)引起四旋翼飛行
5、器轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖d中,當(dāng)電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升,電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速下降時(shí),旋翼1和旋翼3對(duì)機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對(duì)機(jī)身的反扭矩,機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)向與電機(jī)1、電機(jī)3的轉(zhuǎn)向相反。 (圖2.2.4) 要想實(shí)現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運(yùn)動(dòng),必須在水平面內(nèi)對(duì)飛行器施加一定的力。在圖e中,增加電機(jī)3轉(zhuǎn)速,使拉力增大,相應(yīng)減小電機(jī)1轉(zhuǎn)速,使拉力減小,同時(shí)保持其它兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變,反扭矩仍然要保持平衡。按圖b的理論,飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜,從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量,因此可以實(shí)現(xiàn)飛行器的前飛運(yùn)動(dòng)。向后飛行與向前飛行正好相反。當(dāng)然在圖b圖c中,飛行
6、器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生沿x、y軸的水平運(yùn)動(dòng)。 (圖2.2.5) (圖2.2.6)1.3 動(dòng)力學(xué)原理四旋翼飛行器的升力全來(lái)自于螺旋槳,螺旋槳靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)與空氣相互作用,產(chǎn)生上升力,上升力來(lái)源有兩種、: 空氣推力 螺旋槳向后推空氣的反作用力1.3.1 空氣推力根據(jù)伯努利原理,動(dòng)能+壓力勢(shì)能=常數(shù),即公式如下:P1+1/2V12+gh=C, 這個(gè)式子被稱(chēng)為伯努利方程。式中p為流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng),v為流體該點(diǎn)的流速,為流體密度,g為重力加速度,h為該點(diǎn)所在高度,C是一個(gè)常量。它也可以被表述為p1+1/2v12+gh1=p2+1/2v22+gh2。在螺旋槳旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,密度、高度、
7、重力常數(shù)均變,速度V越大,則壓強(qiáng)P越小,如右圖圖 (圖2.3.1)槳葉上半部距離長(zhǎng),但流過(guò)的時(shí)間是一樣的,故槳葉上方空氣流速v更大,壓力p更小,由于壓力差的存在,空氣對(duì)槳葉有向上的推力。1.3.2螺旋槳反作用力螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí),槳葉不斷把大量空氣(推進(jìn)介質(zhì))向后推去,在槳葉上產(chǎn)生一向前的力,即推進(jìn)力。1.3.3 其他 一般情況下,螺旋槳除旋轉(zhuǎn)外還有前進(jìn)速度。如截取一小段槳葉來(lái)看,就像一小段機(jī)翼,其相對(duì)氣流速度由前進(jìn)速度和旋轉(zhuǎn)速度合成。槳葉上的氣動(dòng)力在前進(jìn)方向的分力構(gòu)成拉力。在旋轉(zhuǎn)面內(nèi)的分量形成阻止螺旋槳旋轉(zhuǎn)的力矩,由發(fā)動(dòng)機(jī)的力矩來(lái)平衡。槳葉剖面弦(相當(dāng)于翼弦)與旋轉(zhuǎn)平面夾角稱(chēng)槳葉安裝角。
8、螺旋槳旋轉(zhuǎn)一圈,以槳葉安裝角為導(dǎo)引向前推進(jìn)的距離稱(chēng)為槳距。實(shí)際上槳葉上每一剖面的前進(jìn)速度都是相同的,但圓周速度則與該剖面距轉(zhuǎn)軸的距離(半徑)成正比,所以各剖面相對(duì)氣流與旋轉(zhuǎn)平面的夾角隨著離轉(zhuǎn)軸的距離增大而逐步減小,為了使槳葉每個(gè)剖面與相對(duì)氣流都保持在有利的迎角范圍內(nèi),各剖面的安裝角也隨著與轉(zhuǎn)軸的距離增大而減小。這就是每個(gè)槳葉都有扭轉(zhuǎn)的原因。螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí),槳葉剖面弦與旋轉(zhuǎn)平面的夾角稱(chēng)為槳葉安裝角。1.4 選材1、遙控器 2、機(jī)架3、飛控4、電調(diào)5、電機(jī)6、正反槳7、電池8、平衡充9、帶有電羅經(jīng)的GPS3、數(shù)傳二 四旋翼飛行器硬件2.1 四旋翼硬件框架系統(tǒng)核心部分為飛行控制器(簡(jiǎn)稱(chēng)飛控)
9、,其核心芯片為基于STM32F405R6T6的控制系統(tǒng)。為控制器加上各種功能及模塊,來(lái)操控飛行姿態(tài)。為控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線傳感及傳感器的信號(hào)進(jìn)行采樣處理計(jì)算,得到想要的飛行姿態(tài)位置及其參數(shù),結(jié)合遙控操作極地面操作控制信號(hào)進(jìn)行控制算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)無(wú)刷電機(jī)控制量輸出。由3軸重力加速傳感器與陀螺儀傳感器組成電子陀螺儀模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼飛行器姿態(tài)控制??諝飧叨却└衅?重力加速度傳感器 陀螺儀傳感器 電調(diào) 電機(jī)1 遙控接收 電調(diào) 電機(jī)2 微控制器 PWM STM32F405R6T6 接口 電調(diào) 電機(jī)3遙控接收機(jī) 電調(diào) 電機(jī)4 遙控器 無(wú)線傳感 GPS 地面控制站 (2.1 硬件結(jié)構(gòu)圖)2.2 硬件設(shè)計(jì)與選型2
10、.2.1 微控制器微控制器是四旋翼飛行器的核心單元,對(duì)四旋翼飛行器起著至關(guān)重要的作用。本文采用STM32F405R6T6作為微控制器。STM32系列基于專(zhuān)為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。而STM32F2系列分為:高性能系列STM32F205/207和高性能系列STM32F207/217。STM32F4系列為STM32平臺(tái)新增了眾多高級(jí)外設(shè):1.支持高速模式的USB OTG(需要連接外部PHY);2.支持音頻級(jí)的架構(gòu):I2S和USB外設(shè)(連同高級(jí)PLL和數(shù)據(jù)同步方案);3.視頻傳感器接口,8位或14位并行信號(hào),工作在48MHZ可以取得高
11、達(dá)48M字節(jié)/秒的數(shù)據(jù)率;4.靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)器接口,速率高達(dá)60MHZ,擴(kuò)展存儲(chǔ)空間和連接LCD;5.加密/哈希處理器:3DES,AES 256/SHA1.MD5,HMAC;6.3個(gè)SPI,時(shí)鐘頻率最快可達(dá)30M字節(jié)/秒;6個(gè)USART,最高波特率7.5M字節(jié)/秒;7.3個(gè)12位ADC模塊,每個(gè)模塊采樣率高達(dá)2M/秒;8.真正的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器;9.快速GPIO(翻轉(zhuǎn)速率高達(dá)60MHZ) 型號(hào)封裝程序存儲(chǔ)器定時(shí)器功能 A/D轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器I/O 端口(大電流)串行接口供電電壓(Vcc)(V)供電電流(Icc)溫度Flash。為滿足支持GPS口而選用STM32F4系列的STM32F405R6T6
12、作為微控制器。2.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制就是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)或者停止,以及轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分也叫做電子調(diào)速器,簡(jiǎn)稱(chēng)電調(diào),英文electronic speed controller(ESC)。電調(diào)對(duì)應(yīng)使用的電機(jī)不同,分無(wú)刷電調(diào)和有刷電調(diào)。有刷電機(jī)的永磁體是固定不動(dòng)的,線圈繞在轉(zhuǎn)子上,通過(guò)電刷跟換相器接觸來(lái)改變磁場(chǎng)方向來(lái)保持轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。無(wú)刷電機(jī),顧名思義,這種電機(jī)是沒(méi)有電刷和換相器的,他的轉(zhuǎn)子是永磁體,而線圈是固定不動(dòng)的,直接接到外部電源,問(wèn)題就來(lái)了,線圈磁場(chǎng)方向怎么改變呢?事實(shí)上,無(wú)刷電機(jī)外部還需要一個(gè)電子調(diào)速器,這個(gè)調(diào)速器就是一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng),通過(guò)改變固定線圈內(nèi)部電流的方向,保
13、證它跟永磁體之間的作用力是相互排斥,持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)得以延續(xù)。 (圖2.2.2)有刷電機(jī)工作可以不需要電調(diào),直接把電供給電機(jī)就能夠工作,但是這樣無(wú)法控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。無(wú)刷電機(jī)工作必須要有電調(diào),否則是不能轉(zhuǎn)動(dòng)的。必須通過(guò)無(wú)刷電調(diào)將直流電轉(zhuǎn)化為三相交流電,輸給無(wú)刷電機(jī)才能轉(zhuǎn)動(dòng)。一般使用PWM的占空比來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。Crazepony電機(jī)驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)的操作相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較麻煩的,而有刷電機(jī)就是我們小時(shí)候玩的四驅(qū)車(chē)上的那種電機(jī),接上電就能猛轉(zhuǎn),反著接它就反著猛轉(zhuǎn),就是這么簡(jiǎn)單。Crazepony使用的是有刷空心杯電機(jī),所以電機(jī)的控制屬于有刷直流電機(jī)控制,相對(duì)于無(wú)刷電調(diào)來(lái)說(shuō)要簡(jiǎn)單很多。Crazepony采用的是有
14、刷空心杯高速電機(jī),轉(zhuǎn)速在3W轉(zhuǎn)/分鐘左右。要驅(qū)動(dòng)有刷電機(jī),很簡(jiǎn)單,只需要將信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力增大,就能驅(qū)動(dòng)有刷電機(jī)了。那么選擇什么元件來(lái)提供這樣的特性呢?Crazepony的電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC選型經(jīng)歷了三級(jí)管,中功率管的失敗,最后選用的是場(chǎng)效應(yīng)管(即MOSFET)SI2302。最開(kāi)始用的三極管作為電機(jī)驅(qū)動(dòng),采用很經(jīng)典的共射電路“三極管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)應(yīng)該就行了吧?”畫(huà)了用三極管驅(qū)動(dòng)的PCB板,發(fā)現(xiàn)電機(jī)越轉(zhuǎn)越慢,根本沒(méi)勁?!耙苍S是因?yàn)槿龢O管扛不了大電流,好吧那我換個(gè)中功率管吧,集電極最大6A電流行了吧?”可以想象結(jié)果是不行的。 (圖2.2.3三級(jí)管)三極管作為一個(gè)古老的半導(dǎo)體先驅(qū),它是以一個(gè)放大器件的姿態(tài)而
15、出現(xiàn)的,它在線性區(qū)域特性集中,飽和與截止都是兩種極端的工作狀態(tài),而作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的話,我們只能選擇它的這兩種極端工作模式。用三極管作為大電流負(fù)載的驅(qū)動(dòng)管時(shí),不得不考慮的是他自身的管壓降對(duì)負(fù)載的影響,這是很?chē)?yán)重的。自身耗散越來(lái)越大,電機(jī)和管子是串聯(lián)關(guān)系,電池電壓只有3.7V,電機(jī)就只能越轉(zhuǎn)越慢了在晶體管家族里面還有一種跟三極管特性互補(bǔ)的,所有特性都集中在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的晶體管,場(chǎng)效應(yīng)管,即MOSFET。通常的場(chǎng)效應(yīng)管完全導(dǎo)通時(shí),源漏極電阻都是m級(jí)別的,即它自身的耗散非常小。用它做為驅(qū)動(dòng)管再合適不過(guò)了。最終選擇了一個(gè)SOT23封裝的,導(dǎo)通電壓Vgs<4v的場(chǎng)管(SI2302),結(jié)果表現(xiàn)出了很好的驅(qū)動(dòng)
16、性能。 (圖2.2.3)每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管接一個(gè)大電阻下拉,目的是為了防止在單片機(jī)沒(méi)接手電機(jī)的控制權(quán)時(shí),電機(jī)由于PWM信號(hào)不穩(wěn)定開(kāi)始猛轉(zhuǎn)。接一個(gè)下拉電阻,保證了場(chǎng)管輸入信號(hào)要么是高,要么是低,沒(méi)有不確定的第三種狀態(tài)。那么電機(jī)也只有兩種狀態(tài),要么轉(zhuǎn),要么不轉(zhuǎn)。主控輸出的是PWM波形,用于控制場(chǎng)效應(yīng)管的關(guān)閉和導(dǎo)通,從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。這就是crazepony電機(jī)驅(qū)動(dòng)的原理。就是這么簡(jiǎn)單。2.3 無(wú)刷電調(diào)大四軸基本上都是使用的無(wú)刷電機(jī),無(wú)刷電機(jī)控制必須配合無(wú)刷電調(diào)使用。無(wú)刷電調(diào)的輸入是直流,通常直接接航模電池。輸出是三相交流,驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)。另外無(wú)刷電調(diào)還有三根信號(hào)線,輸入PWM信號(hào),用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速
17、。對(duì)于航模,尤其是四軸飛行器,由于其特殊性,需要專(zhuān)門(mén)的航模電調(diào)。 (圖2.3.1)在四軸飛行器上需要專(zhuān)門(mén)的電調(diào)呢,其有什么特別的地方?四軸飛行器有四個(gè)槳,兩兩相對(duì)呈十字交叉結(jié)構(gòu)。在槳的轉(zhuǎn)向上分正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn),這樣可抵消單個(gè)槳葉旋轉(zhuǎn)引起的自旋問(wèn)題。每個(gè)槳的直徑很小,四個(gè)槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的離心力是分散的。不像直機(jī)的槳,只有一個(gè)能產(chǎn)生集中的離心力形成陀螺性質(zhì)的慣性離心力,保持機(jī)身不容易很快的側(cè)翻掉。所以通常航模直升機(jī)用到的電機(jī)控制信號(hào)更新頻率很低,而航模四軸飛行器用到的控制信號(hào)更新頻率很高。四軸為了能夠快速反應(yīng),以應(yīng)對(duì)姿態(tài)變化引起的飄移,需要高反應(yīng)速度的電調(diào),常規(guī)PPM電調(diào)的更新速度只有50Hz左右,滿足不了這
18、種控制所需要的速度,且PPM電調(diào)MCU內(nèi)置PID穩(wěn)速控制,能對(duì)常規(guī)航模提供順滑的轉(zhuǎn)速變化特性,用在四軸上就不合適了,四軸需要的是快速反應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化。用高速專(zhuān)用電調(diào),IIC總線接口傳送控制信號(hào),可達(dá)到每秒幾百上千次的電機(jī)轉(zhuǎn)速變化,在四軸飛行時(shí),姿態(tài)時(shí)刻能夠保持穩(wěn)定。即使受到外力突然沖擊,依舊安然無(wú)恙。2.2.4 螺旋槳四軸飛行器需要安裝4個(gè)槳片,如果4個(gè)槳葉都采用逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),則4個(gè)槳葉都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的自旋扭力,使得被載體向右自旋;所以四軸飛行器為了抵消這種自旋扭力,設(shè)計(jì)時(shí)采用2個(gè)正槳和2個(gè)反槳,2個(gè)順時(shí)針和2個(gè)逆時(shí)針的槳葉按照循環(huán)排列,并且一對(duì)槳葉向左旋轉(zhuǎn),而另一對(duì)槳葉向右旋轉(zhuǎn),這樣就可以抵消掉槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)出的自旋扭力,使飛行器受力均衡。正反槳區(qū)分如下: 正槳在槳片上以“L”字母標(biāo)注,從正槳片正面看以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)撥動(dòng)氣流;反槳在槳片上以“R”字母標(biāo)注,從反槳片正面看以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)撥動(dòng)氣流。三 總結(jié)與展望3.1 總結(jié)隨著四軸飛行器的發(fā)展,其在軍用、民用、商用都有較大發(fā)展空間。如2012年賓州大學(xué)的Vijay Kumar在TED大會(huì)上發(fā)表四軸飛行器的發(fā)展前景。文中四旋翼飛行器特殊性的構(gòu)造,對(duì)飛行器做了初步的設(shè)計(jì),對(duì)飛行姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)經(jīng)過(guò)地面站成圖像形式檢測(cè)。利用出現(xiàn)傳輸模塊對(duì)飛行器做各種姿態(tài)調(diào)整。課題最后對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了初步測(cè)試,測(cè)試結(jié)果顯示飛行
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