小型無(wú)人機(jī)的當(dāng)前現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

姚軍 麻倍之 吳軍 王榕 周應(yīng)偉

本文從無(wú)人機(jī)平臺(tái)、主要部件和科研等方面，介紹了小型無(wú)人機(jī)的最新發(fā)展。首先，基于全球133種小型無(wú)人機(jī)，介紹了當(dāng)前的發(fā)展情況；然后，就小型無(wú)人機(jī)的科研成果，特別是平臺(tái)的設(shè)計(jì)與制造、動(dòng)力學(xué)模型和飛行控制等方面進(jìn)行了介紹；最后，展望小型無(wú)人機(jī)的發(fā)展和軍民應(yīng)用。

無(wú)人機(jī)是一種沒(méi)有機(jī)載乘員，通過(guò)遠(yuǎn)程遙控或自主飛行的航空器，其發(fā)展和應(yīng)用前景不可估量。過(guò)去30多年，無(wú)人機(jī)以驚人的速度發(fā)展。迄今為止，超過(guò)50個(gè)國(guó)家開(kāi)發(fā)了1000多種無(wú)人機(jī)，在軍用、民用兩大領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的作用。據(jù)蒂爾集團(tuán)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)預(yù)測(cè)，未來(lái)十年無(wú)人機(jī)的投入將從當(dāng)前的每年52億美元增加至116億美元，總投資額達(dá)到890億美元。

各類(lèi)無(wú)人機(jī)中，小型無(wú)人機(jī)因其在科研、民用和軍用等領(lǐng)域的突出優(yōu)勢(shì)，最受關(guān)注。首先，小型無(wú)人機(jī)使用成本低、操作性強(qiáng)、易維護(hù)，是有效的科研工具，同時(shí)很多科研領(lǐng)域（如動(dòng)力學(xué)模型、飛行控制、導(dǎo)航和制導(dǎo)等）的跨越式發(fā)展又推動(dòng)著小型無(wú)人機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，提升了其自動(dòng)化程度；其次，小型無(wú)人機(jī)民用范圍廣，能應(yīng)用于危機(jī)監(jiān)控、搜索救援、航拍、地質(zhì)勘探、天氣預(yù)報(bào)、污染評(píng)估、火災(zāi)監(jiān)測(cè)和輻射監(jiān)測(cè)等諸多民用領(lǐng)域；最后，在作戰(zhàn)和防衛(wèi)方面具有不可替代的作用，是戰(zhàn)區(qū)和城市環(huán)境中實(shí)現(xiàn)零傷亡、智能化、近距離偵察監(jiān)視收集情報(bào)的理想工具。

大量公開(kāi)資料證實(shí)，小型無(wú)人機(jī)使用了大量先進(jìn)的工藝和設(shè)備。目前關(guān)于小型無(wú)人機(jī)的文獻(xiàn)大多關(guān)注一些具體的應(yīng)用或特定的領(lǐng)域，主要介紹無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)、操作、感知、發(fā)展、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和使用等情況，內(nèi)容比較分散。本文將全面闡述小型無(wú)人機(jī)的演化和發(fā)展。首先綜合分析全球商用的133種型號(hào)的小型無(wú)人機(jī)，并將其分為小型戰(zhàn)術(shù)、微小型和微型三種類(lèi)型；然后回顧具有代表性的研究成果，并將其重新劃分為旋翼、固定翼和拍翼三類(lèi)，并對(duì)每類(lèi)的平臺(tái)設(shè)計(jì)與制造、動(dòng)力學(xué)模型和飛行控制發(fā)展進(jìn)行描述；最后預(yù)測(cè)小型無(wú)人機(jī)在科研、民用和軍用的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，并進(jìn)行總結(jié)。

小型無(wú)人機(jī)平臺(tái)

無(wú)人機(jī)可按多種特征分類(lèi)，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的方法。本文結(jié)合最新版《無(wú)人系統(tǒng)整合路線(xiàn)圖》、《無(wú)人機(jī)系統(tǒng)：設(shè)計(jì)、研發(fā)和使用》以及美國(guó)國(guó)防部預(yù)研局對(duì)微型無(wú)人機(jī)的定義，綜合考慮無(wú)人機(jī)的機(jī)體尺寸、起飛總重量、飛行速度、最大升限、作戰(zhàn)半徑、續(xù)航時(shí)間以及用途等基本特征，把小型無(wú)人機(jī)分為小型戰(zhàn)術(shù)型（近程）、微小型和微型三類(lèi)。表]列出了相關(guān)的詳細(xì)技術(shù)參數(shù)，其中機(jī)體尺寸表示固定或轉(zhuǎn)動(dòng)翼展，作業(yè)半徑基于特定的視距條件，真實(shí)高度表示相對(duì)于地面的高度，后面標(biāo)有“*”的值是由本文分析后確定，并非官方發(fā)布。

為了深入了解小型無(wú)人機(jī)的當(dāng)前狀況，表2和表3從軍用和民用角度，列舉了全球500多家無(wú)人機(jī)制造商生產(chǎn)的133種型號(hào)小型無(wú)人機(jī)。

小型戰(zhàn)術(shù)型無(wú)人機(jī)

在上述三種類(lèi)型無(wú)人機(jī)中，小型戰(zhàn)術(shù)型無(wú)人機(jī)具有較大的起飛重量和翼展，性能優(yōu)于其它兩種。但是，如表1所示，相對(duì)于大型無(wú)人機(jī)（如戰(zhàn)術(shù)、高空長(zhǎng)航時(shí)、中空長(zhǎng)航時(shí)等），小型戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)在技術(shù)性能指標(biāo)上還是相對(duì)落后。小型戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)主要用于陸軍機(jī)動(dòng)分隊(duì)的偵察監(jiān)視、目標(biāo)指引、監(jiān)控和空域安全等作戰(zhàn)行動(dòng)，也可用于海岸監(jiān)視、電線(xiàn)監(jiān)測(cè)和交通監(jiān)控等多種民用領(lǐng)域。

表2和表3共列舉了18套小型戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，綜合相關(guān)信息得出了以下兩點(diǎn)結(jié)論：

（]）固定翼無(wú)人機(jī)共有13套，占總數(shù)的72%，說(shuō)明固定翼在小型戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)中占有主導(dǎo)地位；

（2）軍用和民用的比例為11：7，說(shuō)明民用型需求量大，很有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

目前，主要有亞洲、歐洲和北美三個(gè)地區(qū)生產(chǎn)小型戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)，其中北美最多，在軍用和民用分別占有60%和55%。除了傳統(tǒng)的固定翼和單旋翼無(wú)人機(jī)之外，許多小型戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)極具創(chuàng)意，如MLB開(kāi)發(fā)的同軸V-BAT無(wú)人直升機(jī)。圖1列舉了具有代表性的固定翼、單旋翼、雜交和同軸小型戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)。

微小型無(wú)人機(jī)

相比于小型戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)，微小型無(wú)人機(jī)的巡航速度較低、有效載荷較小、續(xù)航時(shí)間較短，因此使用空域更為有限。微小型無(wú)人機(jī)基本上都是可折疊和可拆卸設(shè)計(jì)，可由單兵便攜使用，特別適用于機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)分隊(duì)實(shí)施的偵察、監(jiān)視和目標(biāo)指引等任務(wù)。如RQ-11B“大烏鴉”無(wú)人機(jī)，已大量裝備美國(guó)空軍、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)和特種作戰(zhàn)司令部。民用微小型無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)了成本、可操作性、重量、載荷需求和可維護(hù)性方面的平衡，非常適合商業(yè)應(yīng)用，如航空攝像、通信中繼和貨物運(yùn)輸?shù)?。目前全球市?chǎng)上有113種型號(hào)的微小型無(wú)人機(jī)，據(jù)調(diào)查分析得出如下兩點(diǎn)結(jié)論：

（1）固定翼和旋翼微小型無(wú)人機(jī)的軍用民用數(shù)量比率基本相同，分別為30：22和34：27，說(shuō)明即便使命不同，固定翼和旋翼無(wú)人機(jī)在軍用和民用領(lǐng)域同等重要。

（2）民用和軍用的比率是61：52.說(shuō)明微小型無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域已經(jīng)比較普及。

多旋翼無(wú)人機(jī)主要包括四旋翼、六旋翼、八旋翼和共軸六旋翼等，其中軍民應(yīng)用比例分別為45%和70%。過(guò)去十年，多旋翼無(wú)人機(jī)的使用需求旺盛，使其迅速普及并展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。如Parrot公司2010年1月推向市場(chǎng)的AR四旋翼無(wú)人機(jī)，在2013年12月全球銷(xiāo)售總量超過(guò)了50萬(wàn)套。

目前主要是亞洲、歐洲和北美三個(gè)地區(qū)生產(chǎn)微小型無(wú)人機(jī)，圖2列舉了微小型無(wú)人機(jī)的代表性機(jī)型。

微型無(wú)人機(jī)

1997年，美國(guó)國(guó)防預(yù)研局（DARPA）啟動(dòng)了3500萬(wàn)美元的微型空中飛行器（MAV）計(jì)劃，旨在開(kāi)發(fā)微型無(wú)人機(jī)原型：翼展小于15cm，滯空時(shí)間達(dá)到2h，可攜帶晝夜成像器，適合于作戰(zhàn)環(huán)境和城市環(huán)境（特別是建筑物內(nèi)）的無(wú)人飛行器。2001年結(jié)束的第一階段研究得出的結(jié)論幾乎否定了這一計(jì)劃，但隨著科技的進(jìn)步，一些之前難以實(shí)現(xiàn)的需求，在不久前已經(jīng)變得很容易了（如尺寸和續(xù)航時(shí)間）。

第一個(gè)固定翼微型無(wú)人機(jī)的原型是航空宇航公司開(kāi)發(fā)的“黑寡婦”微型無(wú)人機(jī)。1999年，“黑寡婦”成功地進(jìn)行了20min飛行，并實(shí)時(shí)傳輸了圖像（彩色視頻）。其后續(xù)型號(hào)“黃蜂”已裝備美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)和特種部隊(duì)司令部?！包S蜂”主要是在“黑寡婦”的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化了機(jī)翼結(jié)構(gòu)和電力消耗，但最新型“黃蜂”翼展拓展到了33cm，不屬于本文定義的

微型無(wú)人機(jī)。

航空宇航公司耗時(shí)5年、耗資400萬(wàn)美元研制了一款比較出名的拍翼微型無(wú)人機(jī)——“納米蜂烏”無(wú)人機(jī)，能夠依靠雙翼控制盤(pán)旋飛行，但公開(kāi)信息表明“納米蜂烏”已止步于概念驗(yàn)證階段。目前唯一真正達(dá)到實(shí)戰(zhàn)需求，并正在服役的微型無(wú)人機(jī)是挪威Prox Dynamics公司生產(chǎn)的“黑色大黃蜂”（見(jiàn)圖3），轉(zhuǎn)動(dòng)翼展10.2cm、起飛總重量16g、最大飛行速度lOm/s，續(xù)航時(shí)間25min，能實(shí)時(shí)傳送視頻和圖像。2012年8月，英軍在阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)上已將該型機(jī)應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)。

最新技術(shù)的發(fā)展使許多航模愛(ài)好者玩起了微型無(wú)人機(jī)，如圖3中的Hubsan微型四旋翼無(wú)人機(jī)，一體化設(shè)計(jì)和良好的姿態(tài)穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)了微型無(wú)人機(jī)的完全自動(dòng)化。

小型無(wú)人機(jī)的研究進(jìn)展

小型無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)，在空氣動(dòng)力學(xué)、飛行動(dòng)力學(xué)、飛行控制、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等研究領(lǐng)域?qū)W(xué)術(shù)界提出了挑戰(zhàn)，也給開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和實(shí)際性能評(píng)估提供了一個(gè)契機(jī)。小型無(wú)人機(jī)研究的快速普及，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（1）目前一共有36個(gè)世界領(lǐng)先的機(jī)構(gòu)組織開(kāi)展小型無(wú)人機(jī)的研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，并且有更多機(jī)構(gòu)重視小型無(wú)人機(jī)，并投身其中。

（2）過(guò)去二十年，許多小型無(wú)人機(jī)比賽極大地提高了小型無(wú)人機(jī)的自動(dòng)化、自主性和智能化，其中國(guó)際航空機(jī)器人大賽已有24年的悠久歷史。

（3）目前有關(guān)小型無(wú)人機(jī)方面有影響力的研究成果已出版20多部，包括無(wú)人機(jī)原理和動(dòng)力學(xué)模型、飛行控制、導(dǎo)航、制導(dǎo)等方面的研究專(zhuān)著。

表4列舉了目前積極從事小型無(wú)人機(jī)研究的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)及其使用的無(wú)人機(jī)平臺(tái)和重點(diǎn)研究領(lǐng)域。

小型無(wú)人機(jī)的開(kāi)發(fā)主要包括五個(gè)步驟：平臺(tái)設(shè)計(jì)與構(gòu)造、動(dòng)力學(xué)建模、飛行控制、導(dǎo)航算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、制導(dǎo)算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以下是基本情況。

（1）平臺(tái)設(shè)計(jì)與構(gòu)造

平臺(tái)設(shè)計(jì)與構(gòu)造是研究小型無(wú)人機(jī)的第一挑戰(zhàn)，直到2010年，才公開(kāi)了高性能的開(kāi)源自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)（如PixHawk和ArduPilot）。表4列舉的大多數(shù)研究組織，都是從平臺(tái)設(shè)計(jì)與構(gòu)造起步開(kāi)展無(wú)人機(jī)研究的。旋翼機(jī)和固定翼飛機(jī)的平臺(tái)比較通用，所以研究的重點(diǎn)是機(jī)載飛控系統(tǒng)，具體包括：

1）飛行控制和任務(wù)處理單元的能力；

2）導(dǎo)航傳感器和任務(wù)傳感器的感知能力；

3）功率消耗和通信模塊的有效范圍；

4）抗振設(shè)計(jì)；

5）電磁干擾設(shè)計(jì)；

6）最佳配重設(shè)計(jì)。

（2）動(dòng)力學(xué)建模

動(dòng)力學(xué)建模是第二個(gè)階段。動(dòng)力學(xué)建模，包括線(xiàn)性和非線(xiàn)性建模，它表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如伺服驅(qū)動(dòng)器或電機(jī)）輸入和飛行響應(yīng)（如加速度、角速度、姿態(tài)、速度和位置）之間的關(guān)系，其目的是得到一個(gè)在特定飛行條件下或在飛行包線(xiàn)中飛機(jī)飛行動(dòng)力的數(shù)學(xué)模型。動(dòng)力學(xué)模型是后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提，特別是基于模型的控制技術(shù)。不管哪種類(lèi)型的飛機(jī)，直接決定模型質(zhì)量的有兩個(gè)關(guān)鍵要素：模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)識(shí)別方法。

（3）飛行控制

飛行控制用于穩(wěn)定飛機(jī)姿態(tài)，獲得預(yù)期的速度、位置和航向。在過(guò)去三十年里，隨著飛行控制的廣泛研究，各種控制技術(shù)應(yīng)用于研究性小型無(wú)人機(jī)平臺(tái)。但實(shí)際應(yīng)用中，最多的還是傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)控制方法：將飛行動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)化成單變量或多變量的一系列控制模型，按設(shè)計(jì)指標(biāo)要求選擇相應(yīng)的控制器，通過(guò)閉環(huán)設(shè)計(jì)的連續(xù)性實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)。目前應(yīng)用于小型無(wú)人機(jī)的控制技術(shù)主要有類(lèi)：線(xiàn)性模型控制、非線(xiàn)性模型控制和非模型控制。線(xiàn)性模型控制是經(jīng)典的控制方法，主要是線(xiàn)性化時(shí)不變參數(shù)，只能在特定飛行條件下或很窄的飛行包線(xiàn)內(nèi)保證模型精度，性能也相應(yīng)受限，主要包括PID控制、最優(yōu)控制和魯棒控制。非線(xiàn)性模型控制通常是基于非線(xiàn)性飛行動(dòng)力學(xué)模型，克服了線(xiàn)性模型控制的局限，主要方法有自適應(yīng)控制、反饋線(xiàn)性化控制和模型預(yù)測(cè)控制等。非模型控制主要包括模糊邏輯和學(xué)習(xí)控制。

（4）導(dǎo)航制導(dǎo)

導(dǎo)航是指為了完成指定任務(wù)，對(duì)飛機(jī)狀態(tài)及周?chē)h(huán)境的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、信息提取和信息推算，具體可分為全球?qū)Ш胶蛥^(qū)域?qū)Ш?。全球?qū)Ш郊夹g(shù)已經(jīng)非常成熟，許多商用導(dǎo)航傳感器單元可以提供飛行狀態(tài)測(cè)量和評(píng)估，滿(mǎn)足全球?qū)Ш降男枨?，因此不是?dāng)前學(xué)術(shù)界的研究重點(diǎn)。而區(qū)域?qū)Ш街饕褂脵C(jī)載有源和無(wú)源任務(wù)傳感器，滿(mǎn)足小型無(wú)人機(jī)的飛行導(dǎo)航需求，在全球?qū)Ш叫盘?hào)易受干擾和篡改的前提下，成為了目前的研究重點(diǎn)，其研究進(jìn)展目前處于保密狀態(tài)。

小型固定翼無(wú)人機(jī)導(dǎo)航制導(dǎo)算法已經(jīng)取得了許多研究成果，目前正向?qū)嶋H應(yīng)用層面發(fā)展。表4中，參與小型固定翼無(wú)人機(jī)研究的機(jī)構(gòu)有10個(gè)，其中4個(gè)開(kāi)展導(dǎo)航方面的研究，有影響的研究成果都是關(guān)于小型旋翼無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航算法方面。

旋翼無(wú)人機(jī)的研究

小型旋翼無(wú)人機(jī)由于出色的懸停能力、載荷能力和操控性，在三類(lèi)平臺(tái)中最為突出，應(yīng)用最為廣泛。表4中共有24家機(jī)構(gòu)選擇了小型單旋翼、多旋翼無(wú)人機(jī)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，達(dá)到總數(shù)的70%。

（1）無(wú)人機(jī)平臺(tái)

當(dāng)前小型旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)已經(jīng)發(fā)展非常成熟，2005年之前研究的還比較多，如今研究減少。根據(jù)相關(guān)調(diào)查表明，大多數(shù)機(jī)構(gòu)在開(kāi)發(fā)小型旋翼機(jī)時(shí)都遵循以下基本規(guī)律：

1）機(jī)載飛控系統(tǒng)組件通常采用商用產(chǎn)品，很少自主研發(fā)，部件選擇上比較關(guān)注輸入/輸出設(shè)備的兼容性，一般采用串行通信；

2）機(jī)載軟件一般基于QNX、RTLinux和VxWorks_個(gè)底層實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，采用層級(jí)化和模塊化設(shè)計(jì)架構(gòu)，關(guān)鍵任務(wù)一般作為獨(dú)立模塊編寫(xiě)，并分配不同優(yōu)先級(jí)（斯坦福大學(xué)“蜻蜓”無(wú)人機(jī)機(jī)載軟件就是基于這種標(biāo)準(zhǔn)流程）；

3）無(wú)線(xiàn)遙控飛行器平臺(tái)的最低條件限制是遙控鏈路要保持通視；

4）地面控制站系統(tǒng)硬件一般是加固便攜電腦，軟件一般是基于非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的。

（2）動(dòng)力學(xué)建模

小型旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)建模必須結(jié)合旋翼振動(dòng)動(dòng)力學(xué)和基礎(chǔ)六自由度剛體動(dòng)力學(xué)，面臨的挑戰(zhàn)主要是模型結(jié)構(gòu)的建立和參數(shù)識(shí)別。復(fù)雜的非線(xiàn)性旋翼振動(dòng)動(dòng)力學(xué)很難簡(jiǎn)化，嚴(yán)重影響了整個(gè)模型的可識(shí)別性。高階模型結(jié)構(gòu)的參數(shù)較多，大大增加了參數(shù)識(shí)別的難度。

目前，旋翼機(jī)的動(dòng)力學(xué)建模主要涉及單旋翼、共軸和多旋翼三種結(jié)構(gòu)。其中關(guān)于單旋翼動(dòng)力學(xué)建模研究最多，代表性的成果是美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人學(xué)院的小型旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)識(shí)別模型，它有兩大創(chuàng)新：1）采用以六自由度剛體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合簡(jiǎn)化的旋翼?yè)]舞效應(yīng)、穩(wěn)定桿動(dòng)力學(xué)和預(yù)置偏航率陀螺儀動(dòng)力學(xué)，最大程度地簡(jiǎn)化了模型結(jié)構(gòu)；2）為得到高精度的懸停和前向飛行環(huán)境，首次將美國(guó)航天局艾姆斯研究中心開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)頻域辨識(shí)（頻率響應(yīng)綜合鑒定）工具包應(yīng)用于小型旋翼無(wú)人機(jī)。后續(xù)的許多建模都是采用其模型架構(gòu)，或者使用頻率響應(yīng)綜合鑒定工具包進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

小型多旋翼無(wú)人機(jī)已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性的研究成果，目前研究重點(diǎn)體現(xiàn)在螺旋槳?dú)鈩?dòng)力學(xué)，飛行特技（如失速）氣動(dòng)力學(xué)的小型四旋翼無(wú)人機(jī)非線(xiàn)性建模。

（3）飛行控制

過(guò)去三十年，研究人員將各種控制技術(shù)，如PID控制、最優(yōu)控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制、反向控制、CNF控制、線(xiàn)性回歸控制、模糊邏輯控制、學(xué)習(xí)控制等應(yīng)用于小型旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)飛行控制。表4中有23個(gè)機(jī)構(gòu)參與了小型旋翼無(wú)人機(jī)的飛行控制研究。

雖然先進(jìn)的控制技術(shù)在小型旋翼無(wú)人機(jī)上得以實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際效果不足以說(shuō)明先進(jìn)的線(xiàn)性或非線(xiàn)性模型控制方案一定優(yōu)于經(jīng)典的、廣泛使用的PID控制或最優(yōu)控制。目前，通過(guò)對(duì)各種先進(jìn)控制技術(shù)進(jìn)行研究，并在科研性的旋翼無(wú)人機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，但很少發(fā)現(xiàn)飛行性能有明顯的提高。這可能是因?yàn)榇蟛糠诛w行控制工作都是集中在常規(guī)飛行環(huán)境或飛行包線(xiàn)中，而旋翼動(dòng)力學(xué)有很好的線(xiàn)性度，經(jīng)典控制技術(shù)能夠很好地解決。

應(yīng)用于攻擊和特技操控的主要是基于學(xué)習(xí)的控制技術(shù)，但實(shí)驗(yàn)表明其效果一般，估計(jì)主要原因有以下兩點(diǎn)：

1）利用基本原理或混合建模方法建立的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)模型，一般不能精確涵蓋整個(gè)高復(fù)雜非線(xiàn)性的攻擊或特技操控的動(dòng)力學(xué)；

2）通過(guò)飛行試驗(yàn)很難、甚至不可能建立這種物理模型，線(xiàn)性或非線(xiàn)性模型控制技術(shù)無(wú)法應(yīng)用到攻擊或特技飛行控制。

固定翼無(wú)人機(jī)的研究

小型固定翼無(wú)人機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域應(yīng)用較多，但因?yàn)槠淅碚摵退惴?yàn)證比較復(fù)雜，通常需要在室外環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，耗時(shí)耗力，因此很少被研究機(jī)構(gòu)應(yīng)用。表4中只有10個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行固定翼無(wú)人機(jī)研究，在數(shù)量上比旋翼無(wú)人機(jī)少得多

（1）無(wú)人機(jī)平臺(tái)

小型固定翼和旋翼無(wú)人機(jī)的平臺(tái)設(shè)計(jì)和構(gòu)建工作基本相同，目前出現(xiàn)了許多結(jié)合固定翼和旋翼特征的混合無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)研究，如新加坡國(guó)立大學(xué)開(kāi)發(fā)的混合無(wú)人機(jī)。

（2）動(dòng)力學(xué)建模

當(dāng)前，小型固定翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)建模基本采用，基于常規(guī)飛行環(huán)境的六自由度動(dòng)力學(xué)模型和基于參數(shù)估計(jì)的系統(tǒng)識(shí)別，下文簡(jiǎn)要介紹具有代表性的建模成果：

1）作為單旋翼無(wú)人機(jī)建模工作的延續(xù)，綜合頻域辨識(shí)方法被應(yīng)用于小型固定翼無(wú)人機(jī)巡航飛行狀態(tài)的動(dòng)力學(xué)建模。

2）起飛階段（基于A(yíng)RX/ARMAX/B模型）和降落階段（基于去耦六自由度剛體動(dòng)力學(xué)模型）的系統(tǒng)識(shí)別，是非常規(guī)飛行條件或飛行包線(xiàn)的動(dòng)力學(xué)模型識(shí)別的典型研究成果。

（3）飛行控制

小型固定翼無(wú)人機(jī)飛行控制主要包括：PID控制、最優(yōu)控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制、線(xiàn)性回歸和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其現(xiàn)狀如下：

1）上述控制技術(shù)廣泛運(yùn)用于飛行控制設(shè)計(jì)（在導(dǎo)航制導(dǎo)究領(lǐng)域更加廣泛），但由于實(shí)際應(yīng)用困難，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果大多來(lái)源于仿真驗(yàn)證；

2） PID控制和線(xiàn)性控制已應(yīng)用于實(shí)際，但大多數(shù)非線(xiàn)性模型控制技術(shù)只是處于理論研究和仿真驗(yàn)證階段，還沒(méi)有進(jìn)行飛行試驗(yàn)。

3）與旋翼無(wú)人機(jī)一樣，應(yīng)用于攻擊和特技操控的效果一般，原因類(lèi)似。

拍翼無(wú)人機(jī)的研究

當(dāng)前，撲翼無(wú)人機(jī)的學(xué)術(shù)性研究仍處于初步階段，單純地模仿烏與昆蟲(chóng)撲動(dòng)翅膀飛行的微型撲翼飛行器已獲得成功，但很多撲翼飛行器普遍采用“剛性”模型，與實(shí)際生物撲翼尚有差距，為顯著提高平臺(tái)設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)建模和飛行控制，仍需加大投入。

（1）無(wú)人機(jī)平臺(tái)

小型撲翼無(wú)人機(jī)的平臺(tái)設(shè)計(jì)很具有挑戰(zhàn)性。首先，由于尺寸小、重量輕，降低了氣動(dòng)效率和轉(zhuǎn)換功率，而克服氣動(dòng)效率的降低需要提高推重比，這是面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)；其次，基于上述限制，需要開(kāi)發(fā)合適的飛行方案，而不能簡(jiǎn)單搬用固定翼或旋翼無(wú)人機(jī)的飛行方案。另外，對(duì)處理部件、導(dǎo)航傳感器和任務(wù)傳感器的處理能力，特別是尺寸和重量的限制，使得飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度成指數(shù)性增加。

目前拍翼無(wú)人機(jī)的研發(fā)基本上采用多重設(shè)計(jì)、原型構(gòu)建和循環(huán)測(cè)試的方法進(jìn)行，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

1）拍翼結(jié)構(gòu)：有雙拍翼和四拍翼兩種。雖然雙拍翼仿生度最高，但因?yàn)樗呐囊砜梢詼p小振動(dòng)、增加升力，提高穩(wěn)定性，目前許多無(wú)人機(jī)原型采用四拍翼方式，約占40%。另外也有少量的柔性翼和嵌條翼無(wú)人機(jī)，很有發(fā)展前景。

2）機(jī)翼幾何設(shè)計(jì)：機(jī)翼幾何形狀是影響升力和推力的關(guān)鍵因素，其效率可以通過(guò)比較氣動(dòng)載荷的實(shí)驗(yàn)記錄確定。

3）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：四驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)已經(jīng)成功應(yīng)用于撲翼無(wú)人機(jī)，關(guān)鍵技術(shù)包括：前置式雙推桿設(shè)計(jì)，前置式雙曲柄設(shè)計(jì)，傳動(dòng)裝置側(cè)掛式設(shè)計(jì)等。

上述3個(gè)方面是影響小型拍翼無(wú)人機(jī)飛行能力的關(guān)鍵，但其它設(shè)計(jì)，如定向控制方案、執(zhí)行機(jī)構(gòu)類(lèi)型、拍翼頻率和機(jī)體材料也嚴(yán)重影響整體飛行性能。圖4列出了有代表性的撲翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)。

（2）動(dòng)力學(xué)建模

當(dāng)前撲翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)建模的代表性技術(shù)如下：

1）通過(guò)整合六自由度牛頓歐拉方程組、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)撲翼氣動(dòng)力學(xué)和線(xiàn)性執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，建立昆蟲(chóng)類(lèi)拍翼無(wú)人機(jī)原始的非線(xiàn)性模型，然后實(shí)施驗(yàn)證，建立的模型有助于飛行控制設(shè)計(jì)；

2）結(jié)合拉格朗日方程和典型的拍翼氣動(dòng)力學(xué)，建立拍翼原型的非線(xiàn)性模型；

3）流體力學(xué)應(yīng)用于這一研究領(lǐng)域。例如，流動(dòng)求解器和網(wǎng)格變形方法已被應(yīng)用于柔性翼運(yùn)動(dòng)學(xué)研究，得到了精度足夠、拍翼頻率范圍較小的計(jì)算流體力學(xué)模型；

4）系統(tǒng)識(shí)別應(yīng)用于撲翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)建模。運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)用來(lái)記錄鳥(niǎo)類(lèi)拍翼無(wú)人機(jī)的續(xù)航飛行機(jī)動(dòng)，并且已建立具有精確俯仰和升沉動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的簡(jiǎn)化線(xiàn)性模型。

總的來(lái)說(shuō)，小型撲翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型研究還處于起步階段，目前的研究重點(diǎn)仍局限于許多恒定或準(zhǔn)恒定的特定飛行條件，如懸?；蜓埠斤w行。

（3）飛行控制

由于平臺(tái)設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)建模還不成熟，目前很少有關(guān)于撲翼飛行器飛行控制研究的報(bào)道。此外，飛行控制一般是通過(guò)經(jīng)典控制實(shí)現(xiàn)（主要是PID控制），自動(dòng)化程度亟待提高。當(dāng)前微型和納米級(jí)飛行器的飛控情況如下：

1）最近有兩家機(jī)構(gòu)取得了微型拍翼無(wú)人機(jī)的初步自主飛行成果。加利福尼亞大學(xué)的伯克利設(shè)計(jì)了去耦六自由度縱向和橫向動(dòng)力學(xué)模型的兩個(gè)PID控制器，并且在巡航飛行中用機(jī)載400Hz的控制器驅(qū)動(dòng)了13g的拍翼無(wú)人機(jī)；DeIFly 11微型無(wú)人機(jī)也用去耦六自由度縱向和橫向動(dòng)力學(xué)模型的兩個(gè)PID控制器，完成了小型風(fēng)洞的自主狀態(tài)保持；

2）目前只有哈佛大學(xué)的微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，在進(jìn)行納米級(jí)撲翼無(wú)人機(jī)飛行控制研究。最近，比例控制、自適應(yīng)控制、無(wú)模型控制等技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到RoboBee平臺(tái)，完成了二級(jí)基本自主飛行，但穩(wěn)定性較差。

未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

科研方面

小型旋翼、固定翼和拍翼無(wú)人機(jī)的研究趨勢(shì)如下：

（1）小型旋翼無(wú)人機(jī)的研究將持續(xù)升溫，具體如下：

1）多旋翼無(wú)人機(jī)價(jià)格便宜、操作方便、尺寸涵蓋小型至微型，在室內(nèi)和室外環(huán)境應(yīng)用都有很大潛力，將主導(dǎo)旋翼無(wú)人機(jī)的研究領(lǐng)域；

2）旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型已進(jìn)入成熟階段；

3）飛控和基于傳感器的區(qū)域?qū)Ш綄⑹茄芯康闹饕厔?shì)，測(cè)距相機(jī)（能提供RGB之外的距離信息）和激光雷達(dá)（具有三維掃描能力）等先進(jìn)傳感器有助于增強(qiáng)區(qū)域?qū)Ш侥芰?，將逐步進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域；

4）未來(lái)研究重點(diǎn)將逐步轉(zhuǎn)向制導(dǎo)算法的開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)，特別是多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制、感知和任務(wù)規(guī)劃。

（2）小型固定翼無(wú)人機(jī)的發(fā)展預(yù)測(cè)如下：

1）通過(guò)融入垂直起降無(wú)入機(jī)的功能進(jìn)行平臺(tái)的設(shè)計(jì)和構(gòu)造，雜交無(wú)人機(jī)將更加普及，而微型固定翼無(wú)人機(jī)的發(fā)展將持續(xù)下降；

2）固定翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力學(xué)建模和飛行控制研究已經(jīng)日趨飽和；

3）旋翼無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航和控制，由模擬發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用，將是今后的研究重點(diǎn)。

（3）小型撲翼無(wú)人機(jī)的研究很有前途，將日益普及，將來(lái)重點(diǎn)研究領(lǐng)域包括：

1）先進(jìn)的平臺(tái)設(shè)計(jì)，特別是微型和納米級(jí)平臺(tái)設(shè)計(jì)；

2）使用基本原理建模、系統(tǒng)識(shí)別和混合動(dòng)力學(xué)建模；

3）線(xiàn)性、非線(xiàn)性飛行控制技術(shù)應(yīng)用；

4）視覺(jué)狀態(tài)估計(jì)和感知。

民用方面

民用小型無(wú)人機(jī)應(yīng)用的最終目標(biāo)是出現(xiàn)，類(lèi)似于今天在公路上正常運(yùn)營(yíng)的汽車(chē)一樣的場(chǎng)景，這源于航空管制和航空應(yīng)用的發(fā)展。

（1）航空管制

民用小型無(wú)人機(jī)發(fā)展受限的主要原因是嚴(yán)格的空域限制。幾乎所有民用無(wú)人機(jī)都只能在特定空域使用，或者達(dá)到外部空域?qū)︼w行器的特定要求才能使用。但是，不管是國(guó)家的權(quán)威機(jī)構(gòu)（如美國(guó)聯(lián)邦航空局和澳大利亞民航安全局），還是國(guó)際性權(quán)威機(jī)構(gòu)，都沒(méi)有建立完整的民用無(wú)人機(jī)航空準(zhǔn)則。民用無(wú)人機(jī)因?yàn)樯婕暗桨踩?，道德和隱私等方面的問(wèn)題，其智能化水平不滿(mǎn)足需求，在當(dāng)前航空管制條件下，數(shù)量難以增加。

一旦空域限制問(wèn)題得以解決，使用量將持續(xù)猛增，按照歐洲單一天空實(shí)施計(jì)劃（SESAR）安排，到2035年，歐洲空域內(nèi)將有40多萬(wàn)架商業(yè)和政府部門(mén)的無(wú)人機(jī)。許多法規(guī)正在進(jìn)行改進(jìn)和發(fā)展，當(dāng)前已經(jīng)取得了一些實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，如2013年美國(guó)交通部頒布的第一版民用無(wú)人機(jī)整合路線(xiàn)圖（軍用飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)），已對(duì)民用無(wú)人機(jī)的發(fā)展應(yīng)用提出了規(guī)劃設(shè)計(jì)；歐盟計(jì)劃2017年在各成員國(guó)之間協(xié)調(diào)民用無(wú)人機(jī)操作法規(guī)，到2019年實(shí)施。

（2）航空應(yīng)用

目前，小型民用無(wú)人機(jī)可應(yīng)用于航空遙感、貨物運(yùn)輸和通信中繼。短期內(nèi)，航空遙感在民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)仍占主要地位。航空遙感應(yīng)用包括攝影（如應(yīng)急監(jiān)測(cè)、搜索救援、航空拍攝和地質(zhì)勘察等）和監(jiān)測(cè)（如天氣預(yù)報(bào)、污染評(píng)估、火災(zāi)探測(cè)和輻射監(jiān)測(cè)等）。最近，貨運(yùn)和快遞成為小型無(wú)人機(jī)的新興應(yīng)用方向，如亞馬遜的無(wú)人機(jī)快遞測(cè)試等。無(wú)人機(jī)用作民事的通信中繼和空中路由，雖然目前沒(méi)有任何報(bào)道，但具有一定的可能性和必要性，其發(fā)展仍處于起步階段。

軍用方面

對(duì)小型無(wú)人機(jī)軍事應(yīng)用的發(fā)展預(yù)測(cè)主要來(lái)源于兩個(gè)方面，一是2000年～2013年七個(gè)版本的無(wú)人系統(tǒng)整合路線(xiàn)圖，二是兩個(gè)主要的無(wú)人機(jī)市場(chǎng)研究公司（蒂爾集團(tuán)公司和市場(chǎng)研究網(wǎng)）進(jìn)行的無(wú)人機(jī)市場(chǎng)分析。其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)簡(jiǎn)要概括如下：

（1）小型無(wú)人機(jī)的需求將逐年增加，到2020年美軍裝備總數(shù)將超過(guò)10000套（]套可能有多架無(wú)人機(jī)）。盡管有多種無(wú)人機(jī)產(chǎn)品，軍購(gòu)仍將局限于幾家主要的無(wú)人機(jī)制造商，如航空環(huán)境公司和波音公司；

（2）固定翼和旋翼機(jī)的比例大約是97：3，固定翼在軍用市場(chǎng)仍將占據(jù)主導(dǎo)；

（3）為提高信息采集效率和不同任務(wù)環(huán)境的適應(yīng)性，特種傳感器及其小型化將持續(xù)發(fā)展；

（4）小型無(wú)人機(jī)（特別是固定翼）由現(xiàn)在的自殺式攻擊、情報(bào)搜集拓展到攜帶攻擊武器，武裝能力將進(jìn)一步增強(qiáng)；

（5）小型無(wú)人機(jī)目標(biāo)小、機(jī)動(dòng)靈活，能快速機(jī)動(dòng)阻止并擊毀來(lái)襲目標(biāo)，將成為未來(lái)有人一無(wú)人系統(tǒng)中不可或缺的組成部分；

（6）小型無(wú)人機(jī)培訓(xùn)將進(jìn)一步規(guī)范，并將擴(kuò)大到軍官和在役士兵。

總結(jié)

本文搜集了全球范圍內(nèi)的133個(gè)小型無(wú)人機(jī)，從影響小型無(wú)人機(jī)發(fā)展的三個(gè)主要方面進(jìn)行了較為全面的概述。首先，基于收集信息把小型無(wú)人機(jī)分為小型戰(zhàn)術(shù)型、微小型和微型三類(lèi)，并簡(jiǎn)明扼要地介紹了目前的進(jìn)展情況；然后，簡(jiǎn)要回顧了學(xué)術(shù)界小型無(wú)人機(jī)的研究進(jìn)展，按照固定翼、旋翼和拍翼等類(lèi)型進(jìn)行重新分類(lèi)，并對(duì)每種類(lèi)型的平臺(tái)設(shè)計(jì)構(gòu)造、動(dòng)力學(xué)建模和控制等方面的基本情況和頂尖技術(shù)進(jìn)行了分析；最后，預(yù)測(cè)了未來(lái)2～5年小型無(wú)人機(jī)在軍用、民用和科研方面的發(fā)展。