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
型固定翼微型无人机,如图2所示。该微型无人机的总设计质量为100g,其机身(带有固定 翼)仅重7g,内部存储处理器以及外部搭载的拍摄设备共重10g,电动机及其螺旋桨重20g 锂电池重44.5g,惯性系统以及处理器重20g,总功耗为15瓦。 图4“微星”微型无人机 “微星”微型无人机集成了纳米技术、微型航空电子技术、微型传感器技术以及先进的 动力推进技术,并在其硅片上集成了陀螺仪、三轴加速度计以及GPS定位系统模块,这些先 进的技术以及设备使它拥有良好的隐身效果。该微型无人机可以执行20-60min的常规飞行任 务,飞行距离大于5km,巡航速度可达50km/h[9] “微型蝙蝠”改型微型无人机是航宇环境公司为美国国防预先硏究计划局制造的扑翼微 型无人机,如图3所示,该扑翼微型无人机测试续航时间长达22min,翼展仅有23cm,质量轻 达14g,其动力由可充电锂电池提供。后由加州理工学院为其制造出钛合金骨架蒙以聚合物 薄膜构成的机翼以及其他轻型动力传输系统,使该扑翼微型无人机达到更加理想的飞行效果 图5“微型蝙蝠”改型微型无人机 “蜂鸟”扑翼微型无人机长仅为16cm,质量仅为10g,飞行速度可达36km/h,如图4所示, 其动力仅由两个翅膀提供,噪声远比其他微型无人飞行器小,因此该微型无人机的隐蔽性非 常好,可以为军队提供良好的侦査任务。美国航宇环境公司表示,“蜂鸟”扑翼微型无人机 将是航空科技的一个里程碑,其充分利用仿生学原理,在微型飞行器的空气动力和能量转换 效率、耐力和操控性方面做出突破,将提高在城市环境下的军事侦察能力[10]
型固定翼微型无人机，如图2所示。该微型无人机的总设计质量为100g，其机身（带有固定 翼）仅重7g，内部存储处理器以及外部搭载的拍摄设备共重10g，电动机及其螺旋桨重20g， 锂电池重44.5g，惯性系统以及处理器重20g，总功耗为15瓦。 图 4 “微星”微型无人机 “微星”微型无人机集成了纳米技术、微型航空电子技术、微型传感器技术以及先进的 动力推进技术，并在其硅片上集成了陀螺仪、三轴加速度计以及GPS定位系统模块，这些先 进的技术以及设备使它拥有良好的隐身效果。该微型无人机可以执行20-60min的常规飞行任 务，飞行距离大于5km，巡航速度可达50km/h[9]。 “微型蝙蝠”改型微型无人机是航宇环境公司为美国国防预先研究计划局制造的扑翼微 型无人机，如图3所示，该扑翼微型无人机测试续航时间长达22min，翼展仅有23cm，质量轻 达14g，其动力由可充电锂电池提供。后由加州理工学院为其制造出钛合金骨架蒙以聚合物 薄膜构成的机翼以及其他轻型动力传输系统，使该扑翼微型无人机达到更加理想的飞行效果。 图 5 “微型蝙蝠”改型微型无人机 “蜂鸟”扑翼微型无人机长仅为16cm，质量仅为10g，飞行速度可达36km/h,如图4所示， 其动力仅由两个翅膀提供，噪声远比其他微型无人飞行器小，因此该微型无人机的隐蔽性非 常好，可以为军队提供良好的侦查任务。美国航宇环境公司表示，“蜂鸟”扑翼微型无人机 将是航空科技的一个里程碑，其充分利用仿生学原理，在微型飞行器的空气动力和能量转换 效率、耐力和操控性方面做出突破，将提高在城市环境下的军事侦察能力[10]
图6“蜂鸟”微型无人机 “龙眼”微型无人机是深受美国军队欢迎的一款微型无人机,如图5所示,美国海军陆 战队决定从2004年5月开始,用4年的时间把该微型无人机部署到每一个作战连队,该微型无 人机拥有长航时、远距离的特点,该微型无人机可以在空中飞行1h,操作距离长达10km,其 质量仅为2.3kg,由电池提供动力并通过手持发射 图7“龙眼”微型无人机 “龙眼”微型无人机的实际升限高达150m,视频连接距离长达5km,能够在光线比较弱 的环境提供相对清晰的黑白图片,该款无人机还可以在自然灾害的监测以及航空监测方面提 供有力的帮」 Skeeter微型无人机是由英国的 Animal dynamics公司结合仿生学原理于2015年6月开始 着手设计的,该微型无人机的设计灵感来自于蜻蜓,如图6所示, Skeeter微型无人机机身仅 为12mm,总质量不足20g其中包括导航系统零件以及摄像设备,巡航速度可达45km/h,续航 时间长达1h,并且该微型无人机在关闭动力系统后能够自主滑行着陆 图8 Skeeter微型无人机
图 6 “蜂鸟”微型无人机 “龙眼”微型无人机是深受美国军队欢迎的一款微型无人机，如图5所示，美国海军陆 战队决定从2004年5月开始，用4年的时间把该微型无人机部署到每一个作战连队，该微型无 人机拥有长航时、远距离的特点，该微型无人机可以在空中飞行1h，操作距离长达10km，其 质量仅为2.3kg，由电池提供动力并通过手持发射。 图 7 “龙眼”微型无人机 “龙眼”微型无人机的实际升限高达150m，视频连接距离长达5km，能够在光线比较弱 的环境提供相对清晰的黑白图片，该款无人机还可以在自然灾害的监测以及航空监测方面提 供有力的帮助。 Skeeter微型无人机是由英国的Animal Dynamics公司结合仿生学原理于2015年6月开始 着手设计的，该微型无人机的设计灵感来自于蜻蜓，如图6所示，Skeeter微型无人机机身仅 为12mm，总质量不足20g其中包括导航系统零件以及摄像设备，巡航速度可达45km/h，续航 时间长达1h，并且该微型无人机在关闭动力系统后能够自主滑行着陆。 图 8 Skeeter 微型无人机
2017年伦敦帝国理工学院的研究人员制作了一款拥有五折叠的翅膀微型仿生原型机,将 其命名为 AquaMan,如图7所示,该微型无人机可以以固定翼的方式在空中巡航,也可以收起 双翼潜入水下进行水样的采集,然后通过内置的罐装二氧化碳冲出水面重新回到固定翼巡航 的姿态。 Aquaman的可操作范围长达5km,可以在紧急状况时进行远距离的水样采集任务,也 可以用于日常的海洋或水库的水质质检,并在以后与海洋学家进行合作更深一步的挖掘该微 型仿生无人机的潜力。 图9 AquaMan微型无人机 (二)国内发展现状 我国微型无人机的研发工作起步较晚,20世纪末开始飞速发展,目前我国实施“坚持自 主创新,实现军民融合”发展战略,我国在民用微型无人机方面取得了不少成果 2011年一款扑翼微型无人机“信鸽”在西北工业大学诞生,该款微型无人机的设计灵感 来自信鸽,其特点是经过涂装之后无论是肉眼和是雷达都很难辨别是机还是鸟,如图8所示 “信鸽”扑翼微型无人机质量为200g,翼展仅为50cm,巡航速度高达40km/h,巡航时间长达 0.5h。目前新一代的“信鸽”正在研发阶段,并加入了人工智能系统、抗电磁干扰系统以及 抗强风系统。 tomat IIANewse 信鸽”扑翼微型无人机 我国的仿生技术发展迅猛,目前“信鸽”扑翼微型无人机是处于世界领先地位的仿生无 人机,在内蒙古试飞时,“信鸽”的噪声极其微弱,并没有引起下方羊群等其他动物的不安 并成功吸引了真鸟与其伴飞 2016年9月我国知名的无人机公司大疆发布了新型微型无人机“大疆 Mavic”,该微型无
2017年伦敦帝国理工学院的研究人员制作了一款拥有五折叠的翅膀微型仿生原型机，将 其命名为AquaMav，如图7所示，该微型无人机可以以固定翼的方式在空中巡航，也可以收起 双翼潜入水下进行水样的采集，然后通过内置的罐装二氧化碳冲出水面重新回到固定翼巡航 的姿态。AquaMav的可操作范围长达5km，可以在紧急状况时进行远距离的水样采集任务，也 可以用于日常的海洋或水库的水质质检，并在以后与海洋学家进行合作更深一步的挖掘该微 型仿生无人机的潜力。 图 9 AquaMav 微型无人机 （二）国内发展现状 我国微型无人机的研发工作起步较晚，20世纪末开始飞速发展，目前我国实施“坚持自 主创新，实现军民融合”发展战略，我国在民用微型无人机方面取得了不少成果。 2011年一款扑翼微型无人机“信鸽”在西北工业大学诞生，该款微型无人机的设计灵感 来自信鸽，其特点是经过涂装之后无论是肉眼和是雷达都很难辨别是机还是鸟，如图8所示， “信鸽”扑翼微型无人机质量为200g，翼展仅为50cm，巡航速度高达40km/h，巡航时间长达 0.5h。目前新一代的“信鸽”正在研发阶段，并加入了人工智能系统、抗电磁干扰系统以及 抗强风系统。 图 10 “信鸽”扑翼微型无人机 我国的仿生技术发展迅猛，目前“信鸽”扑翼微型无人机是处于世界领先地位的仿生无 人机，在内蒙古试飞时，“信鸽”的噪声极其微弱，并没有引起下方羊群等其他动物的不安， 并成功吸引了真鸟与其伴飞。 2016年9月我国知名的无人机公司大疆发布了新型微型无人机“大疆Mavic”，该微型无
人机是第一台拥有视觉感知和一定自主飞行能力的消费无人机,如图9所示,“大疆 Mavic” 是一款可折叠的微型无人机,折叠体积为83m83mm*198mm,在无风环境下以25km/h的巡航 速度可续航3min,搭载目前量产最小的机械3轴云台和无螺丝快拆折叠桨 图11大疆Mavi 2018年4月中国首款民用消费级微小型涵道风扇无人机面世,该微型无人机是中国航天 科工集团二院二部“天空工厂”无人机团队研发的最新产品,其外形酷似一个“电饭煲”, 如图10所示,该微型无人机机体高度不到20cm,涵道直径不到8cm,总质量约280g,其动力 系统采用类似运载火箭的飞行原理,动力效率比传统无人机高30%,且结构的设计非常紧凑 因此特别适合在狭小的空间环境中垂直起降,可应用于灾害搜救、飞行侦查、室内监控等领 图12微小型涵道风扇无人机 四、微型无人机的未来发展 尽管微型无人机的发展受到其续航、总体质量、机动性以及机体尺寸的限制,但是目前 很多国家在该领域仍取得了众多科研成果,所以从整体上来说微型无人机具有巨大的发展潜 微型无人机机群作业是未来微型无人机发展的一个主要方向,多机协同作业可以大大提 高作业效率,目前微型无人机之间的信息交互以及任务协作规划成为研究热点[12]。 假设微型无人机群可以采用WiFi无线通信技术进行数据的传递。任务地区形状类似矩形 且边长近似为a、b,则工作面积为S=a×b。单个微型无人机巡航速度为v,最大巡航飞
人机是第一台拥有视觉感知和一定自主飞行能力的消费无人机，如图9所示，“大疆Mavic” 是一款可折叠的微型无人机，折叠体积为83mm*83mm*198mm，在无风环境下以25km/h的巡航 速度可续航30min，搭载目前量产最小的机械3轴云台和无螺丝快拆折叠桨。 图 11 大疆 Mavic 2018年4月中国首款民用消费级微小型涵道风扇无人机面世，该微型无人机是中国航天 科工集团二院二部“天空工厂”无人机团队研发的最新产品，其外形酷似一个“电饭煲”， 如图10所示，该微型无人机机体高度不到20cm，涵道直径不到8cm，总质量约280g，其动力 系统采用类似运载火箭的飞行原理，动力效率比传统无人机高30%，且结构的设计非常紧凑， 因此特别适合在狭小的空间环境中垂直起降，可应用于灾害搜救、飞行侦查、室内监控等领 域。 图 12 微小型涵道风扇无人机 四、微型无人机的未来发展 尽管微型无人机的发展受到其续航、总体质量、机动性以及机体尺寸的限制，但是目前 很多国家在该领域仍取得了众多科研成果，所以从整体上来说微型无人机具有巨大的发展潜 力。 微型无人机机群作业是未来微型无人机发展的一个主要方向，多机协同作业可以大大提 高作业效率，目前微型无人机之间的信息交互以及任务协作规划成为研究热点[12]。 假设微型无人机群可以采用WiFi无线通信技术进行数据的传递。任务地区形状类似矩形 且边长近似为a b 、 ，则工作面积为 S ab = × 。单个微型无人机巡航速度为v，最大巡航飞
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
常广泛的,但是众多技术需要不断的去发展更新,才能更快的推动当代微型无人机的发展 参考文獻 ]彭小龙宗刚郭翔王红武刘杰郭相春赵曙东张昌令微型无人机将改变“游戏规则” 一美军微型无人机的发展飞航导弹,2012(1031-36 [2]彭小龙蒋伯涛苏志强,范江民快速发展中的德法以俄加南等国微型无人机门兵工自动 化,2007(05):98-99 [3]刘复祥吴庆荣边铭万乐伟吴昆新型实用“微型电动无人侦察机”的研制与技术发展门 洪都科技,2005(02)6-15 4]徐文小型和微型无人机发展现状及其装备情况飞航导弹,2003(11)20-25. ]路静微型无人机的应用现状及未来发展门集成电路应用,2018,35(04):8891 6]曲东才微型无人机研制的关键技术及军事应用飞机设计,2007(03)46-51 η]刘亚威,黄俊微型固定翼飞行器的最新发展动态研究门航空兵器2008(1) 8]李占科裘志杰刘天辉等新概念扑旋翼微型飞行器驱动机构设计研究卩科学技术与工 程,2013,(9) [9]李杰无人机的发展及作战使用外国军事学术2004(8) [10曾锐,昂海松仿鸟复合振动的扑翼气动分析[门南京航空航天大学学报,2003,35(1)6~ [1l Davis WR, Kosicki BB, Boroson DM, Kostishack D F Micro air vehicles for optical surveillance J].The Lincoln Laboratory J, 1996, 9: 197-214 [12]李实吉,胡谷雨,丁有伟微型无人机集群低时延组网规划方法JOL]控制与决策:1-12 01904-25]htps:/ doi. org/10.13195/ kzyjc2018.1549 13]付博,李志强陈杰,范煕伟李晓丽,李涛姚远,刘耀辉微型无人机在2016年11月25日阿克 陶MW66地震中的应用探索门地震地质201840(03)672-684. 作者介绍: 孔令沛沈阳航空航天大学在读研究生邮箱:862414919@qcom
常广泛的，但是众多技术需要不断的去发展更新，才能更快的推动当代微型无人机的发展。 参考文献 [1]彭小龙,宗刚,郭翔,王红武,刘杰,郭相春,赵曙东,张昌令.微型无人机将改变“游戏规则”— —美军微型无人机的发展[J].飞航导弹,2012(10):31-36. [2]彭小龙,蒋伯涛,苏志强,范江民.快速发展中的德法以俄加南等国微型无人机[J].兵工自动 化,2007(05):98-99. [3]刘复祥,吴庆荣,边铭,万乐伟,吴昆.新型实用“微型电动无人侦察机”的研制与技术发展[J]. 洪都科技,2005(02):6-15. [4]徐文.小型和微型无人机发展现状及其装备情况[J].飞航导弹,2003(11):20-25. [5]路静.微型无人机的应用现状及未来发展[J].集成电路应用,2018,35(04):88-91. [6]曲东才.微型无人机研制的关键技术及军事应用[J].飞机设计,2007(03):46-51. [7]刘亚威,黄俊.微型固定翼飞行器的最新发展动态研究[J].航空兵器,2008,(1). [8]李占科,裘志杰,刘天辉,等.新概念扑旋翼微型飞行器驱动机构设计研究[J].科学技术与工 程,2013,(9). [9]李杰.无人机的发展及作战使用.外国军事学术,2004(8). [10]曾锐,昂海松.仿鸟复合振动的扑翼气动分析[ J] .南京航空航天大学学报, 2003, 35(1):6～ 12. [11]Davis W R,Kosicki B B,Boroson D M, Kostishack D F.Micro air vehicles for optical surveillance[J].The Lincoln Laboratory J,1996,9:197～214 [12]李实吉,胡谷雨,丁有伟.微型无人机集群低时延组网规划方法[J/OL].控制与决策:1-11[2 019-04-25].https://doi.org/10.13195/j.kzyjc.2018.1549. [13]付博,李志强,陈杰,范熙伟,李晓丽,李涛,姚远,刘耀辉.微型无人机在2016年11月25日阿克 陶M_W6.6地震中的应用探索[J].地震地质,2018,40(03):672-684. 作者介绍： 孔令沛 沈阳航空航天大学在读研究生.邮箱：862414919@qq.com
