微型飛行器的研究進(jìn)展和關(guān)鍵技術(shù)

于海山　王子琦

摘 要：隨著芯片技術(shù)和單片技術(shù)的快速發(fā)展，微型飛行器在日常生活中也越來越常見，無論是娛樂、科研還是工作，微型飛行器的應(yīng)用越來越廣泛。由于微型飛行器的體積小、重量輕、攜帶方便，可廣泛適應(yīng)于各個(gè)應(yīng)用場景，因此得到了廣大使用者的青睞，也推動(dòng)了我國微型飛行器技術(shù)的快速發(fā)展。文章首先對(duì)微型飛行器的研究進(jìn)展和研究現(xiàn)狀做簡要的介紹，然后針對(duì)微型飛行器的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的說明，為今后微型飛行器的研究指出相應(yīng)的研究方向。

關(guān)鍵詞：微型飛行器；研究；進(jìn)展；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：V279+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）15-0143-02

Abstract： With the rapid development of chip technology and monolithic technology， micro air vehicle is becoming more and more common in daily life. Whether it is entertainment， scientific research or work， the application of micro air vehicle is more and more extensive. Because of its small size， light weight， and easiness to carry， it can be widely used in various application scenarios， so it has been favored by the vast number of users， and has also promoted the rapid development of microair vehicle technology in China. In this paper， the research progress and current situation of micro air vehicle are briefly introduced， then the key technology of micro air vehicle is described in detail， and the corresponding research direction is pointed out for the future research of micro air vehicle.

Keywords： micro air vehicle； research； progress； key technology

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，微型飛行器在日常生活中的應(yīng)用也越來越廣泛。微型飛行器的種類繁多，各大科研院所、高校、科技公司對(duì)四旋翼微型飛行器的研究最為廣泛，而且較為深入。此外，基于微型飛行器的各類科技創(chuàng)新比賽也層出不窮，激發(fā)了人們對(duì)于微型飛行器領(lǐng)域的廣泛關(guān)注?；谖⑿惋w行器的航拍、偵測應(yīng)用技術(shù)已趨于成熟，在微型飛行器配送貨物的領(lǐng)域，各大科技公司也已開始進(jìn)行深入的研究。隨著單片機(jī)技術(shù)、電池技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及伺服控制技術(shù)的進(jìn)步，微型飛行器趨于小型化、輕量化、多功能化的發(fā)展。

美國是最早研究微型飛行器的國家，由于美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局的對(duì)其軍事與科研價(jià)值的關(guān)注，使微型飛行器進(jìn)入高速發(fā)展的黃金時(shí)期。由于微型飛行器的體積較小、速度快、偵查能力強(qiáng)、隱蔽性強(qiáng)、不易被察覺，因此，在軍事領(lǐng)域中作為微型偵察機(jī)探測敵方的軍事動(dòng)態(tài)有著不可替代的優(yōu)勢。隨著軍事技術(shù)的民用化，越來越多的微型飛行器技術(shù)被應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，微型飛行器也揭開了其神秘的面紗，進(jìn)入大眾的視線。目前來看，微型飛行器的體積較小，一般不超過15cm，微型飛行器體積越小其制作也就越困難，對(duì)各類技術(shù)的要求均有所提高。本文針對(duì)微型飛行器的研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡要的介紹，并對(duì)微型飛行器技術(shù)中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的介紹，為未來微型飛行器的研究提供一定的研究方向。

1 微型飛行器研究現(xiàn)狀

（1）多旋翼微型飛行器。目前，無人機(jī)領(lǐng)域研究最多的就是多旋翼微型飛行器。國外有許多著名的微型飛行器公司和高校，如Lutronix公司、Auburn大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)等許多著名的高校和公司。國內(nèi)著名的院校如北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)在多旋翼無人機(jī)的領(lǐng)域研究較為廣泛，且取得了一定的技術(shù)成果。在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域深圳大疆無人機(jī)公司尤為突出，大疆公司的無人機(jī)廣泛用于航拍、娛樂、空中監(jiān)測、農(nóng)作物監(jiān)測、噴灑農(nóng)藥等領(lǐng)域，其無人機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整，相應(yīng)速度快，自主化控制程度高，用于空中作業(yè)時(shí)可搭載全景相機(jī)，在惡劣的環(huán)境下依然可以取得良好的拍攝效果。

（2）仿生微型飛行器。仿生無人機(jī)的研究主要集中在國外的高校和科技公司，如Aero Vironmen公司研制的代號(hào)“尖兵”的微型控制器，“尖兵”一經(jīng)問世便由于其良好的隱蔽性、偵查性、續(xù)航性被應(yīng)用在實(shí)戰(zhàn)中；桑德斯公司研制的“MicroStar”固定翼微型飛行器，其體積很小，重量也只有幾十克，電池壽命長，機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)，在航拍領(lǐng)域的拍攝效果極佳?！皞刹轼B”鴨式微型飛行器于1996年7月在麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室問世，經(jīng)過近二十年的發(fā)展，其控制技術(shù)已經(jīng)完全成熟，廣泛應(yīng)用于晝夜偵查領(lǐng)域。此外，還有加利福尼亞大學(xué)研制的仿蒼蠅的無人機(jī)，其應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在偵查和自然災(zāi)害后的人員搜救領(lǐng)域。

2 微型飛行器關(guān)鍵技術(shù)

（1）傳感器技術(shù)。實(shí)現(xiàn)微型飛行器控制的前提是首先確定微型飛行器當(dāng)前的狀態(tài)，并根據(jù)微型飛行器現(xiàn)在的狀態(tài)做出合適的處理，并控制各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，使其達(dá)到預(yù)期的目的。微型飛行器智能感知系統(tǒng)包括傾角傳感器、磁傳感器、距離傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器等。慣性傳感器可以結(jié)合GPS模塊控制飛行的路徑和飛行方向；磁傳感器與傾角傳感器結(jié)合使用可以測量微型飛行器的飛行姿態(tài)；距離傳感器可以探測微型飛行器周圍是否存在障礙物，防止微型飛行器與外界環(huán)境中的物體發(fā)生碰撞；溫度傳感器可以測量微型飛行器所處環(huán)境中的溫度，由于上述各個(gè)傳感器的測量值的精度與溫度存在很大的關(guān)系，因此，需要根據(jù)溫度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償，保證各類測量數(shù)據(jù)的精確性。加速度傳感器廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，其可以測量周圍空氣的流速、微型飛行器的加速度、高度等信息。

（2）集成控制系統(tǒng)。在微型飛行器的研究中，微型飛行器的控制系統(tǒng)如何能適應(yīng)復(fù)雜的外界環(huán)境，如何讓微型飛行器在無人工干預(yù)的情況下按照人的要求實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，完成特定的任務(wù)，是研究人員的研究重點(diǎn)。由于微型飛行器的控制涉及多個(gè)學(xué)科，例如，傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、微機(jī)原理、控制工程、智能算法等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)。研究微型飛行器的控制首先需要將人的思想“移植”給微型飛行器，使微型飛行器按照人類的方式處理遇到的復(fù)雜問題，根據(jù)遇到的不同情況，做出合理的決策，并控制各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件協(xié)同運(yùn)動(dòng)，保證無人快速調(diào)整自身的姿態(tài)，使其在惡劣的環(huán)境下也能實(shí)現(xiàn)正常的控制功能，是微型飛行器領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。因此，微型飛行器的研究關(guān)鍵是對(duì)其控制系統(tǒng)的研究。

（3）故障診斷與處理技術(shù)。微型飛行器在飛行過程中不可避免的出現(xiàn)故障，有些故障可以預(yù)測，并通過微型飛行器內(nèi)部的控制程序自行解決，有的故障無法預(yù)測，微型飛行器無法自主處理。微型飛行器的故障處理與診斷技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注，由于微型飛行器在空中運(yùn)行時(shí)，地面控制人員只能在微型飛行器正常運(yùn)行的時(shí)候，對(duì)微型飛行器發(fā)送控制指令，并控制微型飛行器的運(yùn)行。但當(dāng)微型飛行器出現(xiàn)故障的時(shí)候，如何控制微型飛行器的運(yùn)行，使微型飛行器按照預(yù)期的飛行路線或命令運(yùn)動(dòng)。如何通過微型飛行器在系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)自身實(shí)現(xiàn)故障的診斷和無人干預(yù)下的故障自主處理也是微型飛行器研究的關(guān)鍵問題。

（4）納米材料技術(shù)。隨著微型飛行器的體積越來越小，制造微型飛行器所用的材料也越來越小。在微型飛行器領(lǐng)域，納米材料是制造小型微型飛行器的關(guān)鍵。盡管納米材料也廣泛應(yīng)用于光學(xué)、精密儀器、通訊行業(yè)，但在微型飛行器領(lǐng)域，納米材料還有巨大的應(yīng)用空間和研究價(jià)值。在微型飛行器內(nèi)部的微型控制器、微型電機(jī)等微型飛行器的各種組成機(jī)構(gòu)，都可通過納米材料制造。

（5）續(xù)航技術(shù)。微型飛行器在高空中執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候，其能源的供應(yīng)問題也是限制微型飛行器應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。由于微型飛行器體積較小，無法通過燃油或燃?xì)饧夹g(shù)為其提供動(dòng)力，只能通過移動(dòng)電源為其供電，這也要求電源的體積與微型飛行器的體積相匹配。微型電池由于體積小，其電池容量也相對(duì)較小，且微型飛行器上所有傳感器和運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力均由微型電源提供，因此，如何保證微型飛行器獲得長時(shí)間的續(xù)航能力，保證微型飛行器長時(shí)間執(zhí)行任務(wù)也是微型飛行器的關(guān)鍵技術(shù)。

（6）精密制造技術(shù)。隨著微型飛行器應(yīng)用環(huán)境的需要，微型飛行器的體積越來越小，組成微型飛行器的各個(gè)零部件的體積也越來越小，而且對(duì)各個(gè)零件的加工精度和裝配精度要求較高。微型飛行器的制造加工屬于精密制造領(lǐng)域，根據(jù)使用需求保證微型飛行器的加工精度，尤其是在仿生無人機(jī)領(lǐng)域，當(dāng)前的技術(shù)實(shí)現(xiàn)滿足精密制造的要求還存在一定的問題。

3 結(jié)束語

微型飛行器的研究涉及較多的領(lǐng)域和學(xué)科，其研究價(jià)值不僅僅局限于微型飛行器領(lǐng)域，其對(duì)相關(guān)發(fā)展也促進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，研究微型飛行器技術(shù)對(duì)國家在將來占領(lǐng)微型飛行器產(chǎn)業(yè)具有十分重要的意義。微型飛行器的使用價(jià)值、研究價(jià)值和應(yīng)用前景也促使各個(gè)國家在微型飛行器領(lǐng)域進(jìn)行不斷的投入，保證各自在微型飛行器領(lǐng)域的先進(jìn)性。本文結(jié)合微型飛行器的研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)對(duì)微型飛行器進(jìn)行詳細(xì)的描述，相信隨著各科技術(shù)的發(fā)展，未來微型飛行器的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。

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