微型旋翼飛行器的現(xiàn)狀分析和發(fā)展趨勢初探

胡佳依 杜 鵬

（中國人民武裝警察部隊工程大學(xué)，陜西 西安710086）

1 基本概念

微型飛行器這個概念是在1992年提出來的，美國蘭德公司和國防高級研究計劃局 (Defense Advanced Research Projects Agency，簡稱DARPA)舉辦了一個關(guān)于未來軍事技術(shù)的研討會，當(dāng)時的資深科學(xué)家奧根斯坦主持了關(guān)于微型飛行器的討論。研討會上，蘭德公司提交的一份關(guān)于未來軍事技術(shù)的研究報告，該報告首次提出了微型飛行器Micro Air Vehicle，簡稱MAV)的概念。會后，蘭德公司對微型飛行器的原理進行了研究，認為帶有微小傳感器的微型飛行器是可以實現(xiàn)的，可以說，蘭德公司是最早提出研制微型飛行器主張的。鑒于微機電系統(tǒng)和微型傳感器的相關(guān)技術(shù)日趨成熟，專家們提出了微型飛行器的主要參數(shù)，基本指標(biāo)定為：飛行器的各向尺寸在6～20厘米之間，質(zhì)量為10～100克，負載1～18克，最大航程1～10公里，巡航速度30～60公里/小時，續(xù)航時間20～60分鐘，能夠進行遙控飛行或自主飛行、在狹小空間執(zhí)行特定任務(wù)、數(shù)據(jù)通信及傳輸信息等基本特征。

2 微型旋翼飛行器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國際上正在研究的微型飛行器多種多樣，總體上可歸為三類：微型撲翼式飛行器、微型固定翼式飛行器和微型旋翼式飛行器。在這三類微型飛行器中，撲翼式飛行器以體積小而著稱，而固定翼飛行器則以飛行速度快為優(yōu)勢，微型旋翼式飛行器綜合了以上兩種飛行器的優(yōu)點，而且具備能夠垂直起降和空中懸停的特性，現(xiàn)已成為許多國家微型飛行器研究領(lǐng)域的熱點之一。其中，關(guān)于四旋翼以及涵道式微型旋翼飛行器的研究在世界各地開展的如火如荼。

而在自主飛行領(lǐng)域中，涉足最早的當(dāng)屬麻省理工學(xué)院Dr.JonathanP.How領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，其研究是在Draganflyer V Ti飛行器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行的，在實現(xiàn)遙控飛行的基礎(chǔ)上來研究以自主飛行控制規(guī)律和飛行器結(jié)構(gòu)為主。

德國在微型飛行器方面的研究也一直處于領(lǐng)先地位，其中，以MICRODRONES公司設(shè)計研發(fā)的微型旋翼飛行器MD 4-200為主要代表。MD 4-200穩(wěn)定性非常好，這個飛行器采用由M D公司自行設(shè)計的盤式電機，這種電機做工精致效率高。MD 4-200是全碳工藝的，供電方式采用的是鋰電池，懸停時的整機工作電流(含機載設(shè)備)約為2 A，其裝有GPS定位系統(tǒng)，可以在室內(nèi)和室外實現(xiàn)各種飛行姿態(tài)和懸停。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)的微型旋翼飛行器的研究主要是在遙控領(lǐng)域。從2000年開始國內(nèi)很多高校便開始了對微型旋翼飛行器研究的廣泛關(guān)注，其中包括國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等等，但是這些研究還主要是在理論知識和仿真方面。

在2009年9月，由哈爾濱工程大學(xué)學(xué)生自主研發(fā)的遙控微型旋翼飛行器試飛成功，可以說這是國內(nèi)各高校研發(fā)微型旋翼飛行器很成功的一個實例，這也對國內(nèi)微型旋翼飛行器研究技術(shù)的空白起到了一定得填補作用。由此可以看出我國在微型旋翼飛行器的研發(fā)制作上已經(jīng)有了一定的發(fā)展。

3 微型旋翼飛行器的存在不足和未來發(fā)展趨勢

3.1 存在不足

由于微型旋翼飛行器對于電路板的設(shè)計非常精密和嚴(yán)格，這對如何能夠滿足既定任務(wù)需要且達到規(guī)定尺寸要求的微型旋翼飛行器來說是一個重大的考驗。同時，由于微型旋翼飛行器的特殊性，如何選用合理的控制算法來提高其穩(wěn)定性也是目前存在的問題之一。

尺寸小、速度低的特點要求微型旋翼飛行器要比普通飛行器在較低的雷諾數(shù)下飛行。這時空氣的粘滯力很大，與大飛機相比，微型旋翼飛行器按比例所受的阻力更大。研究高效的氣動外形也成為了研究微型旋翼飛行器的主要內(nèi)容之一。

微型旋翼飛行器必須實現(xiàn)垂直起降、懸停等特殊飛行要求，單靠已有的電機裝置和配置結(jié)構(gòu)難于實現(xiàn)這一目標(biāo)。如何控制微型旋翼飛行器各種姿態(tài)的飛行是一個難點，至少要有一個飛行控制系統(tǒng)來控制它，并可執(zhí)行控制人員的指令。執(zhí)行任務(wù)中，微型飛行器要保持與操控人員的通信聯(lián)系以及實時數(shù)據(jù)的傳輸，由于體積的限制，目前微型飛行器只能采用微波通信方式，盡管微波可以傳播大量的數(shù)據(jù)，但它不能穿透墻壁，因而只能在視距內(nèi)使用。由于GPS質(zhì)量大、尺寸大、功率大的特點，在視線外使用GPS自動導(dǎo)航還有一定難度，需要進一步改進。要想在任務(wù)中得到實際應(yīng)用，還需要攜帶各種偵察傳感器，如微型攝像機、紅外、音響及生化探測器等。這些都必須是超輕質(zhì)量的微型傳感器，因而部件微型化是傳感器技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。

3.2 未來發(fā)展趨勢

從整體結(jié)構(gòu)上來看，由于微型旋翼飛行器嚴(yán)格限制了自身重量、尺寸以及載重量，為了充分利用有限的重量和空間，實現(xiàn)微型旋翼飛行器結(jié)構(gòu)框架、電池與功能元件一體化是實現(xiàn)旋翼飛行器微型化的有效發(fā)展思路。電池續(xù)航時間的延長、飛行器載重量的增加以及避障能力的提高是微型旋翼飛行器未來發(fā)展的主攻方向。

微型旋翼飛行器將作為單兵可攜帶的一種作戰(zhàn)戰(zhàn)場裝備，其潛在的作用包括空中監(jiān)視、野外搜捕、搶險救援中的目標(biāo)識別、生物戰(zhàn)劑探測、通信中繼，它甚至能探測到大型建筑物和大型設(shè)施的內(nèi)部情況，因此，為士兵增添了“縫隙之眼”。實現(xiàn)人類所無法觸及的空間的偵查和探測。

縱觀國內(nèi)外針對微型旋翼飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀和目前世界對于控制理論、控制方法以及動力學(xué)、電子信息學(xué)等內(nèi)容的突飛猛進的發(fā)展動態(tài)，微型旋翼飛行器的發(fā)展前景一片大好，也有越來越多的國家和科研人員正在為開發(fā)更多功能更小形態(tài)的微型旋翼飛行器而奮斗在科研一線，對于這種在民用、警用、軍用都能表現(xiàn)出自身特色的且可用性極強的微型旋翼飛行器來說，將會是改變未來空中力量的強大助推器。

［1］Felipe B,Paul S,Jayant S.Design,Analysis and Performance of a Rotary Wing MAV[R].Journal of the American Helicopter Society,2003, 11:124-134.

［2］August.Unmanned Aircraft Systems Roadmap.Office of the Secretary of DefenseReport[R].2005:343-346.

［3］袁昌盛,付金華.國際上旋翼飛行器的研究進展與關(guān)鍵問題[J].航空兵器,2005（6）:23-27.

［4］］PaulG Fahlstrom,Thomas無人機系統(tǒng)導(dǎo)論[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003:3-5.