1. 研究目的与意义
无人机（Unmanned Aerial Vehicle）是指无需搭载操作人员的一种具备一定动力的航空器。无人机利用利用空气动力为其自身提供飞行所需的升力，能够进行远程引导或在无引导状态下自主飞行，既能够回收也能够进行一次性使用。无人机诞生至今，衍生出各种类型，在军事侦查与火力投送、国土勘测、农作物病虫害防治、电力巡查、治安防护及算法验证等皆发挥着其自身的巨大价值。
近年来随着微电子制造技术与工艺的发展，微小型计算机借助这一产业基础不断向着轻量化、高性能的方向发展。借助微型计算机不断提升的运算能力，一些区别于传统无人飞行器结构的飞行平台得到兴起。由于结构上的特殊性，此类无人机如四轴飞行器与涵道风扇飞行器往往外形上不符合空气动力学设计，呈现出极大的静不稳定性。但正是借助MEMS（Microelectro Mechanical System）传感器与微型计算机，此类无人飞行器能够在复杂的气流环境与高耦合度的升力系统下，借助一定的控制算法达到令人满意的飞行性能。
本课题中主要目标为设计一款动力单元为涵道风扇的飞行平台，并通过算法控制使该飞行平台其拥有较为稳定的性能，为今后基于该平台的开发与研究打下基础。2. 课题关键问题和重难点
本课题中主要任务是搭建起三涵道风扇飞行平台，并在其上运行飞行控制算法完成一定的如垂直起降、悬停等飞行目的。
涵道风扇区别于一般的开放式螺旋桨，外涵道的存在使得其较于普通螺旋桨拥有更高的工作效率。但一般的涵道风扇为了克服风叶高速旋转时的反扭矩，在固定电机的支撑结构上进行外形设计，使得空气在流过支撑结构时产生与反扭矩相抵消的力矩。正是这一设计上的特点，使得以涵道风扇为动力的飞行平台往往需要在涵道气流出口处设置扰流板来达到偏转空气流向产生推力矢量进而实现偏航控制的目的。在该设计中，扰流板驱动结构即矢量装置的设计尤为重要。
由于涵道风扇的高耗能特性，在观察飞行性能、对程序参数进行调整的过程中往往不能够依靠机上电池而长时间供电。所以在调试过程中应使用外部供电，并以系留方式与飞行平台连接以达到长时间工作进行参数调整的目的。
3. 国内外研究现状（文献综述）
传统的固定翼飞机由于借助自身气动外形，能够以较小的动力代价换取极高的升力满足飞行的需要。而如四轴飞行器在内的很多非常规设计，由于缺少升力体的存在，动力系统需要时刻保持高能源消耗的状态。这一特点对于长时间飞行是极为不利的。所以一般非常规布局的飞行器往往集中体现于小型无人飞行平台之上：一方面无人飞行器不需要浪费珍贵的载荷空间来布置复杂的生命维持系统，另一方面小型无人飞行平台往往需要执行一些短时间滞空却需要相对长时间对目标进行凝视的悬停任务。四轴或涵道风扇式飞行器的动力来源往往是螺旋桨与无刷直流电机的组合，无刷直流电机的高转速的代价是其往往需要在高速运转的同时从电池中消耗大量的电能。
美军为满足其地面小队对战场侦查、爆炸物排除等工作的需求，委托霍尼韦尔公司所开发的单涵道风扇无人飞行器RQ-16 T-Hawk，其上所使用的动力来源则是一台56cc的平列双排汽油机。在正常运行情况下，该汽油机能够提供3kW动力来源，并使RQ-16具有40分钟左右的稳定滞空时间。由于锂电池相对于汽油的能量密度要低得多，长时间滞空对于以锂电池为能源的小型无人机则是一种奢求。但由于锂电池作为能源的升力系统往往没有复杂且成本高昂的机械系统，这一类型的无人机则大量占据了消费级无人机的市场，在滞空时间要求较低对平台性能要求高的研究领域也同样发挥出了自身的价值。
三涵道风扇飞行平台的原型设计，源自瑞士苏黎世联邦理工学院研究人员的工作。其采用了三台DS-51-DIA HST电动涵道风扇，借助DSM4640-950无刷直流电机的高转速，气流以90m/s的速度从出口排除使得该电动涵道风扇单台推力达到惊人的42N（三台共126N 即12.6KG）。这一高推重比的代价同样是短滞空时间。由于工作时的消耗功率约为6.3kW，即使在三块6200mhA的高性能锂电池的加持下，其仅仅只能维持三分钟的正常飞行。所以在调试工作中，更多的是依靠外部供电来满足长时间的运行需求。这一平台开发的目的，更多的依然是放在了控制算法的开发和模型研究中，从这里来看其研究价值要大于实用价值。
4. 研究方案
以原型法设计思想为基础，在设计初期并不完全掌握该平台所有的设计及技术细节，通过反复迭代修改制造各个机械部分及电子模块的方式来最终完成该三涵道风扇飞行平台的设计工作。
三涵道风扇飞行平台在初步的设计方案中，以涵道风扇为动力、数字舵机驱动的扰流板为飞行姿态控制装置。其中飞行控制的核心为ST公司生产的Stm32f4系列单片机，并在主控电路中集成MEMS传感器，如气压传感器、陀螺仪作为飞行中飞行器飞行姿态数据采集的主要载体。
5. 工作计划
第1-2周：对所收集到的信息与资料进行初步分析，统计所需要用到的材料并确定毕设题目。
第3-4周：利用Solidworks对三涵道风扇飞行平台进行机械结构的初步设计，着重设计其中扰流板作动结构。查找资料对其中扰流片的外形曲线进行细致设计和研究，利用3D打印对部分零件进行制作，以确定其设计的合理性与可用性。
第5-6周：在基础机械结构设计已经完成的情况下，使用AltimunDesigner设计控制电路。并对电路板的外形和大小进行控制，尽量降低重量以满足飞行平台的设计需要。
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