1．目的及意义
1.1 文献综述
无人驾驶飞机（Unmanned Aerial Vehicle）是一种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，简称无人机。无人机具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点，因此在军事领域得到了广泛应用[1]。回收系统是无人机极其重要的一个功能系统，直接影响着无人机作战的机动灵活性，地域适应性以及生存能力等。无人机回收工作需满足从任务空域范围内进行回收，对机载设备损伤最小，修复成本低等要求[2]。
无人机按照机翼类型的不同可分为固定翼无人机和旋翼无人机。其中固定翼无人机的回收方式包括：起落架滑跑着陆回收、伞降回收、中空回收、撞网回收、气垫着陆回收，天钩回收以及固定翼飞机垂直着陆回收，上述回收方式或对跑道要求较高，或需较多的配套措施，亦或是回收过程复杂、成本较高。旋翼无人机的主要回收方式为垂直着陆回收方式，通过调整旋翼的桨叶角调整无人机升力，使得无人机垂直下降至回收平台。此种方式受场地面积与地理条件的限制小，适用范围较广[3-6]。但是在复杂条件下，例如海面移动平台、颠簸移动的地面平台上进行降落时，对无人机的飞行控制仍然存在较大困难。此外，无人机在着舰时可能受到很大的反弹力而翻倒；或者是在甲板上滑动，碰撞舰面建筑物，造成较大损失，因此需要助降装置将无人机锁定在回收平台上以保证无人机安全着舰。目前使用的助降装置主要有两种，即鱼叉—格栅装置和拉降装置。其中鱼叉—格栅装置在无人机机轮接触甲板后不能立即锁住机体，无人机仍然存在侧翻的危险；拉降装置结构复杂，重量较大，安装工作量大，不适用于中小型舰艇[7]。
针对旋翼无人机回收过程中存在的上述问题，陈豪等人设计了一种无人机的自动辅助降落系统，在无人机上配备了降落辅助吊舱，通过降落辅助吊舱与地面降落基站之间的信息交互，指引无人机飞行并降落[8]。高源设计了一种无人机回收系统，该系统包括机器人回收装置及无人机，通过二者间的信息传递，反复调整无人机的飞行状态，实现无人机的安全、精确回收[9]。戴文正、袁锁中和周鑫设计了一种适用于多种飞行状态的无人机航线生成与控制方法，根据无人机与舰船位置、速度和航向信息，实时生成返航航路点，通过三次样条插值法将航路点插补成一条平滑的参考航线，采用视线制导方法形成引导指令，通过飞行控制系统控制无人机跟踪航线，实现自主返航着舰[10]。李国斌、刘润和彭东设计了一种模拟无人直升机着舰平台的装置，该装置具有四个自由度：横摇、纵摇、升降和旋转，完美的模拟了舰艇在海面行驶的真实过程，有助于对无人机的着舰过程进行模拟和调试[11]；此外他们还设计了一种无人直升机着舰锁紧装置，包括钩锁和栅格网，在直升机着舰瞬间自动将直升机牢固地锁在舰艇的甲板上，保证直升机不发生侧翻和滑移，起飞时自动脱扣使直升机快速起飞[12]。李国斌还设计了一种无人直升机着舰机构，通过磁力固定座将直升机固定于回收平台上，其中，磁力固定座的高度和角度可通过连杆结构进行调节以适应回收平台的多样性[13]。李伟设计了一种新型的船舶液压稳定平台，在原有的两自由度四支撑点的稳定平台下方增加了一个剪叉机构，用以补偿船舶的垂荡运动，从而更好地保证舰载平台的稳定性[14]。刘关心和朱文来详细分析了无人直升机舰上自主起降流程，设计了自主起降控制策略，并根据起降策略设计了无人直升机舰上自主起降系统，为舰载无人直升机的设计、研制及使用提供了理论依据和技术支撑[15]。曾智刚对波浪运动升沉补偿液压平台关键问题进行了实验研究，主要实现了船舶运动数据的获取、预处理及可用性的提高，建立了升沉补偿系统，制定了升沉补偿系统智能控制策略，制定了电液比例阀控缸机构的建模方法，进行了船舶仿真运动预报以解决升沉补偿系统的大惯量、大滞后等问题[16]。李国如对无人直升机舰面起降仿真技术进行了研究，就舰面起降仿真模拟系统的研制思路、系统框架作了阐述，分析了各分系统的组成并给出了研制方案，基于PC机搭建了一个针对无人直升机舰面起降模拟的仿真平台。此平台可以快速搭建满足特定要求的视景仿真场景，达到了较好的模拟训练效果[17]。宁萌，郝静如和孙江宏设计了一种采用液压缸驱动方式的水平稳定平台，并对该平台进行了结构、运动学分析，计算出了机构运动的自由度，建立了运动学数学模型，使用Matlab软件对机构进行了仿真计算，为伺服液压缸的设计计算提供了依据[18]。杨建涛进行了并联折叠式舰载稳定平台机构分析与控制理论研究，克服了目前串联转台难以实现多维稳定、承受重载的缺点[19]。Chang-Sun Yoo等人建立了波浪谱模型，计算了船舶运动状态，并根据各种海况建立仿真环境，然后对韩国航天研究所开发的倾斜旋翼无人机KARl的舰载着陆进行了仿真环境评估，取得了较好效果[20]。I. Yumori根据时间序列法预测船舶的实时运动状态，进而进行舰载平台的运动补偿，以实现无人机的平稳着陆[21]。Chang-Sun Yoo等人还对无人机海洋作战环境进行了建模与仿真，仿真环境由飞行仿真平台，三维可视化场景，地面控制系统和仿真控制站组成。采用一组数据对模拟环境进行测试，结果表明，模拟环境可以很好地用于指导舰载着陆试验[22]；此外，他们还着重研究了海浪对无人机着舰的影响，通过FLUENT对海浪进行仿真分析，然后定义了无人机周围的流场环境，最后，对无人机的舰载着陆过程进行了评估，完美得出了倾斜转子无人机着舰时的状态信息[23]。白慧等人研究了一种基于RRT（Rapidly-exploring Random Tree）算法的四旋翼平台和多无人机路径规划方法，表现出了较高的可行性[24]。Oualid Araar 等人研究了一种新型无人机着陆平台的设计方法及其相对姿态估计方案。基于此平台及方案开展了大量的实验，发现了着陆任务中的挑战性问题，针对这些问题提出了充分的解决方案，以减少它们对着陆精度的影响[25]。
上述研究工作中，大多针对无人机的飞行引导和飞行控制技术进行了研究与深化；部分作品针对舰载稳定平台进行了设计与实验，取得了较好的效果；还有部分作品针对无人机着舰后的锁定问题进行了方案设计，其中涉及鱼叉-格栅固定装置及磁性固定装置。然而，由于军舰具有极强的特殊性，其对电、磁的使用均有严格限制，因此，设计出相关的液压系统用以解决旋翼直升机着舰平台的稳定性问题及无人机着舰后的锁定问题十分必要。
1.2 与选题有关的调研报告
查阅了关于无人机回收平台及液压系统设计的国内外文献后，我对相关的理论研究成果有了一定的理解和掌握，在此基础上，我还进行了相关实践调研。
实习时间：2017年9月
实习地点：湖北省武汉市和十堰市
实习单位：湖北佳恒科技股份有限公司、湖北杜德起重机械有限公司、湖北大运汽车有限公司、武汉船用机械厂、中铁科工集团江夏基地、武汉威明德科技发展有限公司。
主要收获：实习期间，我们在佳恒公司参观了液压缸的生产线，对液压缸从毛坯到成品的生产过程有了直观的认识和深入的了解；同时我们也参观了杜德起重机械有限公司，近距离观察学习了产品——随车吊，对液压系统的组成和相关元件的构造和原理有了更深的认识；参观其他数家公司时，我们均对其特色产品有了深刻的认识，对液压系统、液压元件的应用和选型有了更多的了解。这为我们进行液压系统原理设计，结构设计，元件选型等工作奠定了理论基础，是对课堂知识的极好补充，为此次设计工作做好了铺垫。
1.3 研究目的及意义
无人直升机由于具有垂直起降、空中悬停等特点，在世界各国都得到广泛应用。但无人直升机在舰船上的稳定起飞和降落技术仍然面临严峻挑战，无人机在着陆过程中的事故率极高。一般地，无人机在降落时主要依靠人工观察或者无人机上传感器来控制平衡，在海上等非稳定的操作环境下，人的视线和传感器很容易受到干扰，而且，在降落的最后阶段，在地效和外部干扰的共同作用下，无人机很容易发生倾覆，轻则桨叶损毁，重则对电机和搭载的重要仪器设备造成损坏。
此次设计工作旨在设计一种无人机回收平台及其液压系统，以实现无人机在军舰上的安全、精准着陆，并保证无人机着陆后迅速将其锁定在平台上，避免其发生侧翻事故。该设计对保证无人机和舰面设备的安全有着极其重要的意义。
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2. 研究的基本内容与方案

{title}2.1 研究目标
此次设计首先需要满足下列条件，只有基于这些条件方可制定具体的研究目标：
(1) 无人机最大质量：100kg；
(2) 回收圆盘直径：Ф1.5m；回收圆盘中心离舷外最大距离：5m,最大垂直升高：2m；回收圆盘在舷外最大距离处前后摆动距离：1m；
(3) 回收圆盘俯仰、伸缩和前后摆动的最大速度：0.2m/s；
(4) 回收圆盘具有自调平功能；
(5) 回收无人机时舰船保持直线航行，其舰速为20节；
(6) 舰船纵摇角度≤±4°，横摇角度≤±3°；
(7) 回收无人机时，回收平台应固定在舷侧甲板上；回收完毕后，再将回收平台推至机库。回收平台应具有占位空间小、结构紧凑等特点；
(8) 起升绞车卷筒直径：700mm；
(9) 环境温度为-10～40℃；
(10) 液压系统采用不锈钢油箱，工作介质为难燃液压液，油箱中的油位和温度具有自动报警和控制功能；
(11) 液压系统功率损失小，使用寿命长，且具有防腐、防漏等功能。
根据上述条件，制定此次研究目标为：
(1) 设计舰载稳定平台及液压系统，在军舰发生纵摇、横摇时保证该平台能够自调平，以便于无人机平稳着陆。
(2) 设计锁定装置及液压系统，当无人机着陆后立即将其锁定，防止其发生侧翻。
2.2 研究内容
(1) 对稳定平台及锁定装置进行结构设计。
(2) 根据稳定平台及锁定装置的结构确定液压执行元件的类型、个数、动作顺序等，明确设计要求。
(3) 对稳定平台和锁定装置进行负载分析和运动分析，绘制负载循环图和运动循环图。
(4) 明确液压系统的设计参数。
(5) 拟定液压系统原理图。
(6) 计算和选择液压元件型号。
(7) 进行液压系统的性能验算。
(8) 进行液压装置的结构设计，制作液压泵站的三维模型。
(9) 绘制正式工作图，编写技术文件，并提出电气系统设计任务书。
2.3 拟解决的关键问题
(1) 稳定平台及锁定装置的合理化结构设计。
(2) 拟定液压系统原理图。
(3) 液压装置的结构设计。
2.4 拟采用的研究方法
设计过程中首先从课题出发进行国内外文献查阅，了解关于该课题的研究现状，现有成果的优缺点，借鉴其优点，克服其不足。进行过文献检索后，结合实践调研加强对该设计领域的理解和认识，为设计工作奠定实践基础。之后根据实际工况要求进行系统的结构设计和液压系统设计，拟定初步方案后，通过设计软件进行仿真验证，进一步优化设计方案，得到最优解，完成方案设计。之后针对设计方案绘制加工图纸，编写技术文件，完成全部设计工作。

2.5 技术路线

3. 参考文献

[1] 郭耀江. 无人机着陆技术研究[J]. 现代导航,2013,4(03):195-197.

[2] 西安思坦测控技术有限公司.一种无人机回收系 统:CN201620740740.3[P].2017-02-22.

[3] 润强.世界无人机发射和回收方式面面观[J].机器人技术与应用,1996,(4):18-22.

[4] 赵云辉. 无人机伞降回收系统建模与控制策略研究[D].南京航空航天大学,2012.

[5] 中国航天空气动力技术研究院.一种小型无人机回收机构:CN201310439325.5[P].2013-12-25.

[6] 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所.一种无人机地面发射与回收小车:CN201710257609.0[P].2017-09-01.

[7] 孙斌. 舰载直升机的助降装置[J]. 现代兵器,1995(10):37-38.

[8] 高源. 无人机回收系统[P]. 北京：CN107390710A,2017-11-24.