摘 要:上海工程技术大学工程实训中心依托自身特色,积极推动大学生创新项目,以此锻炼大学生的综合能力。本文介绍了大学生通过参与航拍直升机航模的设计与制作的过程,深化了其对于专业知识的理解,极大锻炼的其动手能力,培养了学生的团队合作能力和科学严谨的作风。
　　关键词:创新项目 综合能力 航拍 直升机航模
　　中图分类号:G642.423 文献标识码:A 文章编号:1673-1875(2010)04-115-02
　　
　　创新是一个民族的灵魂,是一个国家兴旺发达的不竭动力。创新的关键在于人才,人才的成长在于教育,教育水平的提高为国际的科技进步和经济发展提供强大的推力。工程实训中心设备齐全,是开展学生创新能力培养的理想平台。在学校的强力支持下,工程实训中心在大学生创新能力培养方面开展了很多富有成效的探讨。航空模型技术是一种结合了机械、电子、自动控制、远程控制与通讯等技术为一体的机电一体化高新技术。大学生参与航模的设计与制作既可以满足个人的兴趣爱好,也可以加深学生对于相关专业知识的理解,还可以锻炼成员间的团队合作精神。因此,通过参与到航模的设计与制作过程中来,对于大学生的动手能力、创新能力等方面的培养都是大有裨益的。
　　1.选题背景
　　航空模型是探索飞行奥秘的工具。人类自古以来就幻想着飞行。昆虫、鸟禽、风吹起树叶和上升的炊烟,都曾引起过人类飞行的遐想。西汉刘安在《淮南子》中记载着后羿的妻子嫦娥偷食了长生药而飞上月宫的美妙故事,这反映了古人对飞行的追求和向往。航空模型在现实生活中有着广泛的应用,每一种新飞机的试制,都要先在风洞里用模型进行试验,甚至连航天飞机这样先进的航空器,也要经过模型试验阶段,取得必要的数据,才能获得成功。航空模型是很有实用价值的器具。可以利用无线电遥控模型飞机作为部队和民兵对空射击训练的靶机;通过在航空模型上安装摄像装置,可以对地面进行航空摄影,拍摄一些人们不容易接近的野生动植物,甚至可以拍摄一些危险性很大的惊险镜头或战斗场面等;另外,可以利用航模飞机携带农药灭虫,利用航模飞机拖一根尼龙线从一个山头到另一个山头,然后换成钢索,进行高山架线,还可以利用航模飞机飞入云层,施放催化剂,进行人工降雨等等。在2008年5.12汶川特大地震灾害中,就有多架由航模改造而来的无人机投入到救灾工作中,其拍摄的一些画面和测绘的数据对于后续的救灾工作起到了重要作用。关于航空模型技术,国外起步较早,技术相对比较成熟;国内航空模型虽然起步较晚,但是已经开始有越来越多的大学生被航模的独特魅力所吸引,并投入到其中,使得国内航模爱好者这个群体越来越大。
　　2.项目目标
　　航空模型的种类非常多,从大的方面来看主要包括固定翼和旋翼两种,在以往接触的各类模型中,大多为一些静态模型,或者一些3通道的初级遥控模型,而带航拍功能的航空模型比较少见。通过相关的调研、讨论,小组成员一直同意研制一种6通道遥控直升机。
　　预期的目标是模型不但可以升降、前进后退还可以实现空中悬停,通过加挂无线摄像头实现航拍,航拍的图像用2.4G无线传输实时回传到控制端,遥控器的控制距离和图像传输的有效距离不低于150米。从上述指标看目前市场上并无一款直升机模型可同时达到以上所有功能,因此整个模型的机构和电路控制部分需要进行较大的改进和二次开发设计。依托工程实训中心强大的机械设计和加工制造能力,加上指导老师丰富的实际生产和教学经验,项目开展得比较顺利。
　　3.项目实施过程
　　为了项目顺利完成,小组成员经过多次讨论,制定了项目的实施方案并安排了相应的时间节点。详细的项目计划和时间节点的安排有力与培养大学生科学严谨的作风和准时守时的态度。项目的实施包括了一下几个阶段。
　　3.1机械结构设计
　　本项目设计与传统项目最大的创新点在于增加了无线摄像装置,而且摄像头通过伺服电机可以做一定角度的摆动,使得航拍的范围更加广阔。无线摄像头的采购相对比较容易,市场上有很多这样的产品,根据直升机模型的特点,尽可能选用尺寸小,重量轻的类型。经过多次讨论和实验,发现摄像头最理想的的安装位置在机腹部位,这样其在工作的过程中比较平稳,震动比较小,画面稳定。针对这样的安装方案,对机身侧板的进行了重新设计。由于机体结构改变了,重新设计并制作了外壳,外壳采用了环氧树脂材料,手工制作而成。
　　3.2零部件的设计与加工
　　为便于加工,机身结构采用厚度为2mm航空铝材作为机身侧板,在不影响刚性的情况下在侧板上加工一些孔洞,以减轻重量,使用实训中心的数控加工加工成型,针对无线摄像头的尺寸规格,设计了摄像头的云台,也是采用了铝合金作为原料。
　　3.3系统供电电路的改造
　　模型的供电采用两块Li-Po锂聚合物电池(12V),在试验过程中发现,飞机在起飞升起的时候,拍摄画面出现比较严重的噪点。查阅相关资料后终于找到了原因:每当飞机推油门爬升时,马达消耗的电量增加,导致无线摄像头供电不足,由此引起无线设备工作不稳定。找到原因之后,通过制作稳压电源和稳压集成电路有效地解决了供电不稳定的问题。
　　3.4试飞
　　性能的总体测试各项设备均能达到预期工作效果,经过指导老师和小组成员的不懈努力,直升机的研制总算是成功完成。在经过上如过程的反复试验验证后,最后试飞的成功就是水到渠成了,整个模型完全达到了当初的设计要求,但是受限于操控水平,模型在空中做特效飞行还存在一定的难度。
　　4.能力的培养
　　4.1 锻炼动手能力
　　通过自行设计并制造直升机航模,极大地锻炼了大家的动手能力,从整体设计、零部件加工到最后的总装都需要很强的动手能力。例如电池的改装,就是横亘在大家前面的第一个难题。在项目的开展过程中,大家的绘图能力也有了大幅的提高。图纸是工程师的语言,所有的想法和设计均需要以图纸的方式来表达,才能最后实现。经过这个项目的锻炼,大家在绘制电路图和机械工程图方面的能力都得到了很大的提高。
　　4.2 锻炼创新能力
　　通过参与项目的研制,组员的创新思维不断地被开发出来。在制作无线摄像头云台的过程中萌发了很多奇思妙想,分别试验了多种不同的方式。
　　首先采用的是前置双轴式。将摄像头安装机头处,也就是在电池的下面。这种方式对于机身机构的改动最小,实施起来最为方便,但是经过试验发现,前置双轴的方式容易使飞机头部过重,出现重心前移的状况,并导致飞机飞起来后很难操控。虽然通过添加一些配重来调节直升机的重心可解决平衡问题,但是这又会使飞机的自重量过大,影响各部位伺服器灵敏度,使得飞机反应迟钝,因此这种方式被否绝了。
　　第二次采用的是缩入式。经过前期的试验,肯定了云台不能挂在机腹部位,原因在于飞机降落时很容易损坏凸出的摄像头,因此考虑采用缩入式的放置方式。将伺服电机安装在侧板上,通过连杆带动来控制摄像头的转角。试验发现,连杆转动时阻力较大,加上无线摄像头自重较大,伺服电机极易损毁。
　　最后决定采用的是下置单轴旋转式。将摄像头安装在缩入的机腹中,当直升机上升到一定高度时遥控将摄像头下放,这样就可以无障碍地对地面进行拍摄。而横向的180°拍摄,则可以通过改变直升机的空中姿态来完成。
　　4.3 锻炼团队合作能力
　　团队合作能力的锻炼无疑又是我们在这次创新项目中的另一大收获。项目伊始,小组的三位同学就进行了明确的分工:模型结构的设计交由组长许嘉悦负责;摄像头的选用安装以及图像的无线传输由张策负责;控制电路的设计以及遥控装置的设计由黄佳骋负责。在项目的实施过程中,大家相互穿插配合,例如机身固定侧板设计图完成后需要大家一致讨论通过再进行加工,避免了由于考虑不周造成整体进度的延误或者产品的报废等。通过这样合理的分工和必要的讨论,项目的正常进度得到了保障。
　　5.总结
　　通过这样的创新项目,大学生可以学以致用,将以前学习到的电子方面的知识,机械加工制造方面的知识运用起来,通过自己动手,将头脑中的想法和设计方案最终实现出来,使大学生多方面的能力都得到了很好的锻炼。通过这样的创新项目,同学们也深知了尺有所短寸有所长的道理,光靠一个人的努力是无法取得成功的,只有大家通过分工合作,才能取得更好的成果。因此,大学生阶段经常参与类似的多学科交叉的、实际应用性很强的创新项目,对于大学生综合能力的培养是非常有必要的。