沈阳航空航天大学：微型无人机发展现状研究综述（孔令沛、龚鹏、王璐）.pdf_大学文库

微型无人机发展现状研究综述孔令沛,龚鹏,王璐 a.沈阳航空航天大学,辽宁沈阳110136) 摘要:微型无人机是基于微机电系统技术,涉及空气动力学、材料学、结构学等多个领域集成的复杂系统。当前微型无人机大体可分为固定翼微型无人机、旋翼微型无人机和扑翼微型无人机三大类,对其现有的典型样机进行綜述,并结合微型无人机的起源及其发展历程,总结了其优越的性能特点和未来发展的方向。关镳词:微型无人机;固定翼;旋翼;扑翼;发展中图分类号:Ⅵ11 Research review on the development status of Micro UA\ Kong Ling-peil, Gong Peng (1. Shengyang Aerospace University. Shenyang, 110136) Abstract: Micro-unmanned Aerial Vehicle (UAV) is a complex system based on micro-electromechanical system(MEMS) technology, which involves the integration of aerodynamics, materials science, structure science and other fields. At present, micro UAV can be divided into three categories: fixed wing micro UAV, rotor wing micro UAV and flapping wing micro UAV. This paper reviews the existing typical models of micro UAV, and summarizes its superior performance characteristics and future development direction based on the origin and development history of micro UAV key words: Micro UAV; Fixed wing; Rotor; The flapping wing; Development 、引言 1903年美国莱特兄弟制造的“飞行者一号”成功进行了载人试飞实验,从此载人飞行器得到了迅猛的发展,各种高性能的飞机越来越广泛的应用在民用和军用领域。为了拓展现有飞行器的作业环境和应用范围,充分提现微小型飞行器的高度隐蔽性和空中飞行的高机动性的优势,各国的航空科技人员开始把目光转移到微型无人机的设计与研发上来。微型无人机最早是1992年美国国防高级研究计划局召开的一次未来军事技术研讨会上提出的,著名的科学家奥根斯坦以微型无人机为主题做了相关探讨。之后,美国的著名企业通讯作者:孔令沛邮箱862414919@qq.com

微型无人机发展现状研究综述孔令沛 1 ，龚鹏，王璐（a. 沈阳航空航天大学，辽宁沈阳 110136）摘要：微型无人机是基于微机电系统技术,涉及空气动力学、材料学、结构学等多个领域集成的复杂系统。当前微型无人机大体可分为固定翼微型无人机、旋翼微型无人机和扑翼微型无人机三大类，对其现有的典型样机进行综述，并结合微型无人机的起源及其发展历程，总结了其优越的性能特点和未来发展的方向。关键词：微型无人机；固定翼；旋翼；扑翼；发展中图分类号：V11 Research Review on the Development Status of Micro UAV Kong Ling-pei1 , Gong Peng1 , Wang Lu 1 (1. Shengyang Aerospace University. Shenyang, 110136） Abstract: Micro-unmanned Aerial Vehicle (UAV) is a complex system based on micro-electromechanical system (MEMS) technology, which involves the integration of aerodynamics, materials science, structure science and other fields. At present, micro UAV can be divided into three categories: fixed wing micro UAV, rotor wing micro UAV and flapping wing micro UAV. This paper reviews the existing typical models of micro UAV, and summarizes its superior performance characteristics and future development direction based on the origin and development history of micro UAV. key words: Micro UAV; Fixed wing; Rotor; The flapping wing; Development 一、引言 1903年美国莱特兄弟制造的“飞行者一号”成功进行了载人试飞实验，从此载人飞行器得到了迅猛的发展，各种高性能的飞机越来越广泛的应用在民用和军用领域。为了拓展现有飞行器的作业环境和应用范围，充分提现微小型飞行器的高度隐蔽性和空中飞行的高机动性的优势，各国的航空科技人员开始把目光转移到微型无人机的设计与研发上来。微型无人机最早是1992年美国国防高级研究计划局召开的一次未来军事技术研讨会上提出的，著名的科学家奥根斯坦以微型无人机为主题做了相关探讨。之后，美国的著名企业通讯作者：孔令沛.邮箱 862414919@qq.com

兰德公司便开始研究微型机的原理,最终的研究结果认为尺寸极小的无人机是能够实现的, 因此美国的兰德公司是最早提出了有关微型无人机的研制的[1-4]。微型无人机最初的设计理念是作为战场上士兵能够携带的一种侦查设备,由于其体积小、成本低、质量轻,机动性好、隐蔽性髙,因此具有很强的军事侦査作用,其作用包括空中侦査、化学物质探测、目标搜寻等,由于其体积的优势,特别适于小部队行动和巷战侦察甚至还能够进入到建筑物里面进行探测[5]。本文将针对已经面世微型无人机进行充分的调研和分析,并提出微型无人机的发展前景和展望。二、微型无人机的应用及分类 ()微型无人机的主要应用 1.自然灾害的监测与救援自然灾害是指给人类生存带来危害或损害人类生活环境的自然现象,近年来,在我国地质结构相对复杂的地区出现了一些自然灾害现象,由于这些地区地势复杂,在灾害发生之后救援人员不可能在第一时间到达灾害地区,此时便可以使用微型无人机监控灾害现场的状况, 根据反馈的现场信息进行最佳救援方案的制定,自然灾害中的微型无人机数据收集以及救援工作的流程一般如图1所示。另有需求,继续投放教援地点观察教援物资投放收集场地资料航线规划投放质量检影像质量检测救灾成果灾害现场测量实时检测影像质量图1微型无人机自然灾害检测与救援流程图收集现场资料:对受灾害地区进行全面的地形资料以及周边环境资料的收集与分析,确定微型无人机最佳起降地点。航线规划:根据微型无人机及其搭载的外设性能规划最佳航线,针对侦査任务航线规划要全面覆盖受灾地区以及周边辐射地区的监测:针对救援任务航线规划要使飞行距离最短以达到快速而准确的投放物资。灾害现场检测:微型无人机根据实际环境状况进行航线微调,对受灾现场进行实时检测并上传现场影像。救援物资投放:微型无人机以最快的飞行速度将质量较轻并十分重要的传感器、精密零件等进行投放,对进一步救灾计划的定制提供帮助工作人员将下载微型无人机上传的受灾现场影像进行分析,质量不佳则使微型无人机进

兰德公司便开始研究微型机的原理，最终的研究结果认为尺寸极小的无人机是能够实现的，因此美国的兰德公司是最早提出了有关微型无人机的研制的 [1-4]。微型无人机最初的设计理念是作为战场上士兵能够携带的一种侦查设备，由于其体积小、成本低、质量轻，机动性好、隐蔽性高，因此具有很强的军事侦查作用，其作用包括空中侦查、化学物质探测、目标搜寻等，由于其体积的优势，特别适于小部队行动和巷战侦察甚至还能够进入到建筑物里面进行探测[5]。本文将针对已经面世微型无人机进行充分的调研和分析，并提出微型无人机的发展前景和展望。二、微型无人机的应用及分类（一）微型无人机的主要应用 1.自然灾害的监测与救援自然灾害是指给人类生存带来危害或损害人类生活环境的自然现象，近年来，在我国地质结构相对复杂的地区出现了一些自然灾害现象，由于这些地区地势复杂，在灾害发生之后救援人员不可能在第一时间到达灾害地区，此时便可以使用微型无人机监控灾害现场的状况，根据反馈的现场信息进行最佳救援方案的制定，自然灾害中的微型无人机数据收集以及救援工作的流程一般如图1所示。收集场地资料航线规划灾害现场测量救援地点观察救援物资投放实时检测投放质量检测影像质量检测救灾成果另有需求，继续投放影像质量不合格，重飞或补飞图 1 微型无人机自然灾害检测与救援流程图收集现场资料：对受灾害地区进行全面的地形资料以及周边环境资料的收集与分析，确定微型无人机最佳起降地点。航线规划：根据微型无人机及其搭载的外设性能规划最佳航线，针对侦查任务航线规划要全面覆盖受灾地区以及周边辐射地区的监测；针对救援任务航线规划要使飞行距离最短以达到快速而准确的投放物资。灾害现场检测：微型无人机根据实际环境状况进行航线微调，对受灾现场进行实时检测并上传现场影像。救援物资投放：微型无人机以最快的飞行速度将质量较轻并十分重要的传感器、精密零件等进行投放，对进一步救灾计划的定制提供帮助。工作人员将下载微型无人机上传的受灾现场影像进行分析，质量不佳则使微型无人机进

行重飞或者补飞:为了进一步了解受灾地区环境微型无人机可继续快速而准确的投放物资微型无人机可以帮助工作人员快速的了解受灾地区的环境状况并制定高效的救援计划 2008年四川汶川发生8.0级大地震,地震造成的众多道路堵塞,救援人员无法及时到灾害现场,国家中科院通过自己研发的微型无人机对灾情现场的情况进行了收集,大量的灾情信息被收集到传给救援人员,确保了救援人员能够对伤者进行及时的抢救治疗 2016年新疆阿克陶发生Mw6.6级地震,工作人员利用微型无人机获取了该地区具有一定重叠度的可见光遥感图像,并建立了该地区的数字模型与数字正射影响,对具有垂直错位的地表破裂进行了识别并画出了高程剖面图,对于地震的研究具有重要的意义[13]。 2.军事侦查与航空检测在军事战场上,士兵的生命是无比重要的,针对此点,微型无人机最大的优势就在于无飞行员伤亡的危险,微型无人机体积小、质量轻、隐蔽性好,在危险性比较大的侦査任务或搜寻任务中微型无人机可以发挥其全部作用,在未来的战争中微型无人机会被广泛的应用于战术侦查、距离检测以及对敌方导弹进行摧毀等方面[6] 近年来,我国的航空监测任务都是通过无人机来执行的,利用无人机携带的设备进行相关的拍摄,现阶段微型无人机主要用于测量和计算地面面积,以及数字化处理地块边界,在执行任务时往往是结合自动相对定向原理进行拍摄,然后根据数据库进行相对应的匹配,最终成对地面和空间数据的观测和处理。微型无人机的成本较低,并且灵活性较高,因此较为广泛的应用于航空监测领域[4],针对此类任务微型无人机的系统设计构架总体包括基本硬件设备、通讯方式、数据分析,如图2所示数据传递数据库数据云计算数据更新数据分析数据收集)数据管理数据服务通讯方式无线通讯有线通讯网络通讯硬件设备微型无人机地面站遥控器图2微型无人机系统总体构硬件设备是整个微型无人机系统的基础层面,针对所执行任务的不同所使用的产品等级也不同,执行军事以及航空检测任务时,基础硬件设备要求较高。通讯方式是指微型无人机、遥控器以及地面站之间进行相互通信的方式,再执行复杂任务是,整个微型无人机系统可以通过多种通信方式进行信息的实时交互

行重飞或者补飞；为了进一步了解受灾地区环境微型无人机可继续快速而准确的投放物资。微型无人机可以帮助工作人员快速的了解受灾地区的环境状况并制定高效的救援计划。 2008年四川汶川发生8.0级大地震，地震造成的众多道路堵塞，救援人员无法及时到灾害现场，国家中科院通过自己研发的微型无人机对灾情现场的情况进行了收集，大量的灾情信息被收集到传给救援人员，确保了救援人员能够对伤者进行及时的抢救治疗。 2016年新疆阿克陶发生Mw6.6级地震，工作人员利用微型无人机获取了该地区具有一定重叠度的可见光遥感图像，并建立了该地区的数字模型与数字正射影响，对具有垂直错位的地表破裂进行了识别并画出了高程剖面图，对于地震的研究具有重要的意义[13]。 2.军事侦查与航空检测在军事战场上，士兵的生命是无比重要的，针对此点，微型无人机最大的优势就在于无飞行员伤亡的危险，微型无人机体积小、质量轻、隐蔽性好，在危险性比较大的侦查任务或搜寻任务中微型无人机可以发挥其全部作用，在未来的战争中微型无人机会被广泛的应用于战术侦查、距离检测以及对敌方导弹进行摧毁等方面[6]。近年来，我国的航空监测任务都是通过无人机来执行的，利用无人机携带的设备进行相关的拍摄，现阶段微型无人机主要用于测量和计算地面面积，以及数字化处理地块边界，在执行任务时往往是结合自动相对定向原理进行拍摄，然后根据数据库进行相对应的匹配，最终成对地面和空间数据的观测和处理。微型无人机的成本较低，并且灵活性较高，因此较为广泛的应用于航空监测领域[4]，针对此类任务微型无人机的系统设计构架总体包括基本硬件设备、通讯方式、数据分析，如图2所示。微型无人机地面站遥控器无线通讯有线通讯网络通讯数据收集数据管理数据服务数据传递数据库数据更新数据云计算硬件设备通讯方式数据分析图 2 微型无人机系统总体构架硬件设备是整个微型无人机系统的基础层面，针对所执行任务的不同所使用的产品等级也不同，执行军事以及航空检测任务时，基础硬件设备要求较高。通讯方式是指微型无人机、遥控器以及地面站之间进行相互通信的方式，再执行复杂任务是，整个微型无人机系统可以通过多种通信方式进行信息的实时交互

对于侦查和检测任务而言最终都是要得到有价值的数据,构建一个可以结构合理的数据库是非常有必要的,伴随着数据的不断增多、数据库不断壮大,可以利用云端计算来模拟出我们想要的数据模型。 (二)微型无人机的分类本文对已有的样机进行了充分的调研和分析,按照其结构的不同可以将微型无人机分为固定翼微型无人机、旋翼微型无人机以及扑翼微型无人机,及其代表机型如图1所示。早期的固定翼微型无人机是由MIT林肯实验室所研制的固定翼微型无人机,用于侦查任务[1]:美国航宇环境公司研制的“ Black widow”固定翼微型无人机可以搭载微型摄像设备以及全球定位系统设备;美国桑德斯公司发明的“微星”固定翼微型无人机,可从手掌上起飞[7]。旋翼微型无人机的特点是可以空中悬停和垂直起飞, Lutronix公司和 Aubum大学联合研制的“ Kolibri”旋翼微型无人机可实现自主飞行和悬停;斯坦福大学研制的“ Mesicopter” 微型四旋翼无人机可以在一个竿臂上离地起飞:日本爱普生公司研制的“ Epson”原型机搭载了微型电路和低功耗无线电模块扑翼微型无人机是仿生学原理在无人机领域的应用,美国加州理工大学和航宇环境公司等多方联合研制的“微型蝙蝠”是早期较为成功的电动扑翼微型无人机,该机动力由锂电池提供;SRI公司和加拿大多伦多大学共同研制“ Mentor”扑翼微型无人机采用一种电致伸缩聚合物驱动;英国剑桥大学等联合研制的“ Entomopter”采用往复式化学肌肉驱动[8]。微型无人机固定翼微型无人机旋翼微型无人机扑翼微型无人机鸭式布局固 Bat”是早期 l entor dow"微型较为成功的扑翼微型无的“ Entom 无人机翼微型无人|旋翼无人机电动扑翼微型飞行器微型无人机图3微型无人机的分类三、国内外发展现状 (一)国外发展现状 “微星”微型无人机发展计划始于1997年,是美国桑德斯公司主导开发并研制的一种新

对于侦查和检测任务而言最终都是要得到有价值的数据，构建一个可以结构合理的数据库是非常有必要的，伴随着数据的不断增多、数据库不断壮大，可以利用云端计算来模拟出我们想要的数据模型。（二）微型无人机的分类本文对已有的样机进行了充分的调研和分析，按照其结构的不同可以将微型无人机分为固定翼微型无人机、旋翼微型无人机以及扑翼微型无人机，及其代表机型如图1所示。早期的固定翼微型无人机是由MIT林肯实验室所研制的固定翼微型无人机，用于侦查任务[11]；美国航宇环境公司研制的“Black Widow”固定翼微型无人机可以搭载微型摄像设备以及全球定位系统设备；美国桑德斯公司发明的“微星”固定翼微型无人机，可从手掌上起飞[7]。旋翼微型无人机的特点是可以空中悬停和垂直起飞，Lutronix公司和Aubum大学联合研制的“Kolibri”旋翼微型无人机可实现自主飞行和悬停；斯坦福大学研制的“Mesicopter” 微型四旋翼无人机可以在一个竿臂上离地起飞；日本爱普生公司研制的“Epson”原型机搭载了微型电路和低功耗无线电模块。扑翼微型无人机是仿生学原理在无人机领域的应用，美国加州理工大学和航宇环境公司等多方联合研制的“微型蝙蝠”是早期较为成功的电动扑翼微型无人机，该机动力由锂电池提供；SRI公司和加拿大多伦多大学共同研制“Mentor”扑翼微型无人机采用一种电致伸缩聚合物驱动；英国剑桥大学等联合研制的“Entomopter”采用往复式化学肌肉驱动[8]。微型无人机固定翼微型无人机旋翼微型无人机扑翼微型无人机鸭式布局固定翼微型无人机。 “Black W idow”微型无人机。 “M icro Star”固定翼微型无人机。 “Kolibri” 旋翼微型无人机。 “M esicopter” 是微型四旋翼无人机。 “Epson”原型机。 “Micro Bat”是早期较为成功的电动扑翼微型飞行器 “M entor” 扑翼微型无人机的“Entom opter” 微型无人机图3 微型无人机的分类三、国内外发展现状（一）国外发展现状 “微星”微型无人机发展计划始于1997年，是美国桑德斯公司主导开发并研制的一种新

行时间为t,则最大飞行距离为L=V×1,单个微型无人机可工作面积为s。多机作业时每个微型无人机之间的距离为d,d介于WiFi最大传输距离D与最小安全距离之间若要完成任务地区的全覆盖则至少需要二台微型无人机。假设某台微型无人机 (∈{0,1,2,…,N)在t时刻的位置为v()=(x(t)y(t),z1(t),d((),()表示在t时刻微型无人机与微型无人机j之间的距离地面站在v()=(x0(t),y0(t),z0(t) 微型无人机群需满足下列条件才能保证网络通讯的连贯性: vt∈[D.m],vi∈{01,2…,N}, 彐i J, N}→d((0),()≤Dn 则如何降低机群之间的通信延迟并获得最好的节点负载均衡成为额待解决的问题之此外,续航与动力问题是微型无人机未来发展所需要研究是最重要的问题,在最初设计微型无人机时,专家设想让动力系统质量占到总体质量的75%,约为无人机机体质量的6倍, 所以未来的微型无人机对动力系统的要求为:(1)一定要减少结构和外载质量,以保证微型无人机的续航时间。(2)减少机体的震动以保证机体微型设备的正常运转。(3)减少噪声以增加微型无人机的隐蔽性。目前微型无人机的续航技术主要还是比较成熟的锂电池供电储能技术,但是这种技术已经不能满足未来微型无人机发展的需求,激光推进技术以及核能推进技术还不够成熟,因此先进的供能技术的研发成为未来发展微型无人机急需解决的问题微型电子机械系统的发展问题也是至关重要的,未来微型无人机的发展离不开微型电子机械系统额发展,更加先进的微型无人机需要尺寸更小,性能更稳定的机械结构和传感器。因此,微型无人机必定是一个微型器件的高度集成。利用微机电系统(MEMS)可以将微型结构、微型传感器以及控制处理电路高度集成在一块或多块芯片之上,但是要注意功能耦合和信号干扰的问题低雷诺数空气动力学特性问题也是不可忽视的,微型无人机并不是将普通无人飞行器进行缩小处理,它是一种全新的飞行器,需要全新的气动布局设计。由于微型无人机微小的机体尺寸,周围空气的粘性影响已经达到了不可忽略的地步,继续减小微型无人机的尺寸将会减小周围的雷诺数。目前,低雷诺数下的空气动力学特性问题多采用实验的方法辅助解决当然,导航系统的研发与设计以及任务设备的结构优化也是未来微型无人机领域需要解决的问题。五、结语微型无人机是微机电系统、空气动力学、材料学、控制学等总多个学科交叉的产物。微型无人机的发展不仅可以推动一个国家经济建设和民生发展,更能展现出一个国家航空工业的实力。通过对微型无人机分类以及应用现状的分析,可以看出未来微型无人机的应用是非

行时间为 max t ，则最大飞行距离为L v max = ×t ，单个微型无人机可工作面积为 s 。多机作业时每个微型无人机之间的距离为 d ， d 介于WiFi最大传输距离 Dmax 与最小安全距离之间。若要完成任务地区的全覆盖则至少需要 S s       台微型无人机。假设某台微型无人机 v N i (i 0,1,2, , ∈{  }) 在 t 时刻的位置为v t i ( ) = (x t ,y t ,z t i ii ( ) ( ) ( )) ，dv t v t ( i i ( ), ( )) 表示在 t 时刻微型无人机i 与微型无人机 j 之间的距离,地面站在 v t x t ,y t ,z t 0 0 00 ( ) = ( ( ) ( ) ( )) 。微型无人机群需满足下列条件才能保证网络通讯的连贯性： [ ] { } { } ( ( ) ( )) max max 0, , 0,1, 2, , , , 0,1, 2, , i j tt i N i jj N dv t v t D ∀∈ ∀∈ ∃≠ ∈ ⇒ ≤   则如何降低机群之间的通信延迟并获得最好的节点负载均衡成为额待解决的问题之一。此外，续航与动力问题是微型无人机未来发展所需要研究是最重要的问题，在最初设计微型无人机时，专家设想让动力系统质量占到总体质量的75%，约为无人机机体质量的6倍，所以未来的微型无人机对动力系统的要求为：（1）一定要减少结构和外载质量，以保证微型无人机的续航时间。（2）减少机体的震动以保证机体微型设备的正常运转。（3）减少噪声以增加微型无人机的隐蔽性。目前微型无人机的续航技术主要还是比较成熟的锂电池供电储能技术，但是这种技术已经不能满足未来微型无人机发展的需求，激光推进技术以及核能推进技术还不够成熟，因此先进的供能技术的研发成为未来发展微型无人机急需解决的问题。微型电子机械系统的发展问题也是至关重要的，未来微型无人机的发展离不开微型电子机械系统额发展，更加先进的微型无人机需要尺寸更小，性能更稳定的机械结构和传感器。因此，微型无人机必定是一个微型器件的高度集成。利用微机电系统（MEMS）可以将微型结构、微型传感器以及控制处理电路高度集成在一块或多块芯片之上，但是要注意功能耦合和信号干扰的问题。低雷诺数空气动力学特性问题也是不可忽视的，微型无人机并不是将普通无人飞行器进行缩小处理，它是一种全新的飞行器，需要全新的气动布局设计。由于微型无人机微小的机体尺寸，周围空气的粘性影响已经达到了不可忽略的地步，继续减小微型无人机的尺寸将会减小周围的雷诺数。目前，低雷诺数下的空气动力学特性问题多采用实验的方法辅助解决。当然，导航系统的研发与设计以及任务设备的结构优化也是未来微型无人机领域需要解决的问题。五、结语微型无人机是微机电系统、空气动力学、材料学、控制学等总多个学科交叉的产物。微型无人机的发展不仅可以推动一个国家经济建设和民生发展，更能展现出一个国家航空工业的实力。通过对微型无人机分类以及应用现状的分析，可以看出未来微型无人机的应用是非