微型無人直升機的應用現狀及發(fā)展趨勢探析

唐興中 冷俊杰 李治權 孫薇

摘要：微型無人直升機具有外形尺寸小、重量輕、易于操作、便于攜帶、隱蔽性好等特點，適于執(zhí)行單兵偵察監(jiān)視、特種作戰(zhàn)、通信中繼、高危區(qū)域探測識別、群體投放等任務。本文對國內外微型無人直升機的發(fā)展現狀進行研究，提出未來發(fā)展微型無人直升機亟待解決的部件微小型化及系統集成技術、低雷諾數空氣動力分析、微小型動力裝置和能源技術、飛行控制與自主導航技術、光電傳感與圖像傳輸技術等關鍵技術，并對未來微型無人直升機在軍民用領域發(fā)展和應用前景進行了展望。

關鍵詞：微型飛行器；微型無人直升機；微機電系統；多學科設計優(yōu)化技術

中圖分類號：V279+.2文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.01.007

微型飛行器（MAV）的概念是在20世紀90年代初美國蘭德公司向美國國防預先研究計劃局（DARPA）提交的一份關于未來軍事技術的報告中首次提出的[1]。經過多次評估和研討，1997年，DARPA正式批準微型飛行器研究計劃。隨著微型飛行器研究的不斷深入，人們發(fā)現微型飛行器并不是常規(guī)無人機的微小型化。微型飛行器超小尺寸、超輕質量的要求帶來總體布局、控制系統、動力和能源裝置等一系列革命性的技術難題。參考DARPA的指標，微型飛行器一般是指各向尺寸不超過150mm、重量（質量）不超過100g、續(xù)航時間20～60min、巡航速度30～60km/h、平臺承載重量不大于18g、最大飛行距離1～10km，具有攜帶任務載荷執(zhí)行特定任務、能自主飛行的基本特征。

國際上通常按照飛行方式和總體結構布局特點把微型飛行器劃分為固定翼、旋翼、撲翼飛行器三大類[2]。微型無人直升機屬于MAV家族中的旋翼類，因其具有體積小、可懸停、機動性好、方便攜帶、操作簡單等特點，特別適合執(zhí)行近距、復雜環(huán)境下偵察監(jiān)視、探測識別、通信中繼、定向清除等任務。

開展微型無人直升機研究，突破各項關鍵技術，可以帶動相關領域技術的發(fā)展，有助于快速推出適合軍民用市場的產品[3]。

1發(fā)展現狀

自20世紀90年代，世界上很多國家科研機構開展了對微型無人直升機的探索和研究。隨著微處理器的出現并且功能的逐步強大，導航和傳感信息處理設備的能力大大增強，特別是1995年麻省林肯實驗室利用計算機芯片技術研制成功了微型電視攝像機之后，微型飛行器很快發(fā)展起來。雖然很多項目由于資金、動力裝置、微電子器件等因素沒有成功，或者停留在實驗室階段，但為以后微型無人直升機的發(fā)展奠定了基礎。典型的微型無人直升機有美國Kolibri和Mesicopter[3]。

Kolibri是Lutronix公司與Auburn大學合作研制的垂直起降微型無人機（見圖1），可采用單旋翼或者對轉雙旋翼?；境叽鐬橹睆?0cm，總重約316g，有效載荷大約100g。采用D-STAR公司研制的微型柴油發(fā)動機重37g，輸出功率35W，加注132g的燃油一般可飛行30min。

Mesicopter是美國斯坦福大學研制的四旋翼微型無人直升機（見圖1）。機身為16mm×16mm的方形框架，其最大尺寸不大于5cm，總質量小于15g。4副旋翼是固定槳距，分別由4個直徑3mm、重325mg的微電機來驅動，利用改變電機的力矩實現滾轉、俯仰、偏航等飛行姿態(tài)變化。每副旋翼共三片槳葉，直徑為15mm，厚度僅0.08mm。

目前公開的資料顯示，2009年挪威Prox Dynamics AS公司研制的“黑黃蜂”PD-100系列（見圖2）是發(fā)展比較完善并且真正投入戰(zhàn)場使用的微型無人直升機，后來挪威Prox Dynamics AS公司被美國Flir公司收購[3-4]?！昂邳S蜂”微型無人直升機長度16cm，重量18g左右，可以持續(xù)飛行25min，最快速度可達10m/s，航程為3.2km，靜聲設計使得它不容易被發(fā)現[4]。

國內對于微型無人直升機的研究從2000年開始，各高等院校、研究所、企業(yè)紛紛開展了微型無人直升機相關研究工作。清華大學在2011年研制微型四旋翼飛行器（見圖3），并成功實現首飛。上海交通大學設計了一款微型無人直升機，對研究低雷諾數下的相關空氣動力學提供了很好的數據基礎。南京航空航天大學、哈爾濱工程大學提出了多種微型無人直升機設計方案，并進行了試飛。航空工業(yè)直升機所也開展了相關的工作。最近幾年，市場上出現了許多消費級的微小型直升機，滿足了愛好者的高空攝像、娛樂等需求。大疆公司目前推出的最小多軸旋翼無人機御MAVIC MINI（見圖4），起飛重量249g，槳葉展開后尺寸為245mm×290mm×55mm，最大飛行時間30min。由此看出，我國在微型無人直升機遠程控制系統、識別系統、通信傳送系統、傳感系統、智能系統、飛行仿真、機構設計、氣動外形設計等領域獲得了突出成果，解決了微型無人直升機在設計、制造、使用中所面臨或將要面臨的很多問題，對填補國內微型無人直升機技術空白起到了一定的作用。

2關鍵技術

微型無人直升機并不是常規(guī)構型直升機的小型化，尺寸的縮小帶來了許多新的技術挑戰(zhàn)。微型無人直升機的研制涉及總體、氣動、飛控、電池、材料、通信等諸多學科，需要攻克總體設計和氣動合理布局、動力裝置及能源等部件微小化、飛行控制和數據傳輸等諸多難題，這也成為制約微型無人直升機發(fā)展的關鍵技術[1，3-4]，主要有以下幾個方面。

2.1部件微小型化及系統集成技術

微型無人直升機超小的結構空間決定它必然是一個高度集成的復雜系統。由于微型飛行器總重不到100g，根本無法單獨使用傳統的機械裝置或電機、電池，需要把微型機構、傳感器、執(zhí)行器、信號處理電路及電源等許多系統整合為一體[5]。各種微小型器件和功能模塊高度集成必然會存在各種耦合、散熱以及其他相互干擾因素。近年來，借助微納米科技、MEMS技術以及結構能源一體化設計等技術的發(fā)展，微型無人直升機部件和機載元件的微小型化、系統集成已取得一些進展，但微納米科技、MEMS微小化、跨學科、高度集成特性等所帶來的復雜性始終制約著微型無人直升機的發(fā)展。

2.2低雷諾數空氣動力學分析技術

相比于常規(guī)大型飛行器，微型無人直升機在整個飛行包線內雷諾數都很小，通常在幾千到幾萬左右，黏性效應顯著，空氣動力學特性有較大不同，空氣動力特性很難模擬。低雷諾數下流場的高黏性特性、邊界層厚度的增加及產生大范圍分離流的可能性，使得以高雷諾數試驗為基礎的設計工具以及基本的設計規(guī)則已不再適用。

自20世紀90年代，針對微型無人直升機低雷諾數流動特點，在低雷諾數計算分析和試驗驗證方法上開展了持續(xù)而深入的研究。近幾年，已有部分在低雷諾數下提升微型無人直升機升阻比的研究取得初步進展，如優(yōu)化氣動外形和機翼形狀，利用非定常外部激勵效應（如擾流片、吹吸氣、動壁效應等），但針對低雷諾數非定常流的研究仍面臨很大的挑戰(zhàn)。

2.3微小型動力裝置和能源技術

微型動力裝置和能源技術是影響微型無人直升機性能優(yōu)劣的重要因素。動力和能源系統必須體積小、質量輕、能量和功率密度高，保證足夠的飛行速度和續(xù)航時間；振動小，保證偵察、采集等任務設備正常工作；噪聲小，以保證飛行器的隱蔽性。目前動力和能源系統尺寸和重量較大、效率較低是限制微型無人直升機尺寸和重量難以縮減、性能難以提升的重要方面。從統計數據來看，微型無人直升機動力和能源系統占總重量50%以上。如果微型無人直升機起飛重量在100g以下，導航系統、電視/紅外攝像機、傳感器等有效載荷目前約在30g，那么機體和動力裝置就只能有70g[6]。目前微型渦輪發(fā)動機、微型燃料/化學電池、微型太陽能等是微型無人直升機可以選擇的動力源?？紤]到微型無人直升機垂直起降、低噪聲、隱蔽性好、操作簡單等要求，還要兼顧技術相對成熟、成本可接受，采用電推進系統作為動力裝置和能源是十分有前途的。近年來，電機、電池、電控技術均有了長足的進步。電機尺寸已經非常微型化，電池種類有很多，如鋰電池、空氣電池、石墨烯電池等。由于微型無人直升機具有尺寸非常小、一般需要隨身攜帶、需要快速反復充電等特點，要求電池能量密度高、功率轉化率高、安全性好等[7]。目前鋰電池是可行的選擇，其理論能量密度大于300W？h/kg，安全因數與能量密度負相關，壽命范圍為500～2000次充放電。未來如何減少推進系統的自重和提高推進系統的效率是決定微型無人直升機是否成功的關鍵技術之一[8]。

2.4飛行控制與自主導航技術

對于微型無人直升機，常規(guī)的直升機飛行控制技術不再適用。微型無人直升機常常工作在樹林、城鎮(zhèn)等地方，需要在操縱者的視線之外飛行，并且經常會遇到側風、障礙、攻擊等各種突發(fā)情況，對內部導航系統會造成誤導，使微型無人直升機偏航或墜毀。因此微型無人直升機飛控系統的研制不僅非常復雜，涉及立體視覺、自主任務規(guī)劃、自主避障等諸多技術，而且要求體積和重量要盡量小，以滿足飛行性能要求[9]。由于微型無人直升機對象特性差異顯著、模型階次高且建模難度大、非線性特性強、飛行模態(tài)數量多、高階動力學特性對操縱品質影響大等，微型無人直升機的飛行控制系統設計一直是亟待解決的關鍵問題之一[10-11]。

2.5光電傳感與圖像傳輸技術

微型無人直升機最常用的功能是作為偵察監(jiān)測工具，首要任務是實現圖像信息的獲取與無線傳輸。微型無人直升機體積小、有效載荷輕，嚴重限制了光電傳感、圖像傳輸功能模塊和任務載荷的體積和重量，使得傳輸質量、距離和速度都會受到影響。如果在遠距離或敵人干擾的情況下不能實施通信或不能可靠地工作，信息無法發(fā)給操作人員，這種飛行器就失去其優(yōu)勢。微型無人直升機飛行狀態(tài)多變，帶來圖像信號質量極不穩(wěn)定、圖像數據量太大、占用帶寬甚寬、復雜戰(zhàn)場環(huán)境存在強電磁干擾等一系列問題[12]。因此加強數字信號傳輸的高實時性圖像壓縮編碼算法、復雜戰(zhàn)場環(huán)境下的糾錯編碼技術、目標圖像穩(wěn)像技術、提高圖像實時傳輸能力等方面研究是未來微型無人直升機滿足未來信息戰(zhàn)需要迫切解決的關鍵。

3應用前景及發(fā)展趨勢

未來微型無人直升機將在軍事和民用領域獲得廣泛應用，或將改變未來戰(zhàn)爭及人類生活方式。縱觀微型無人直升機的研究現狀和相關關鍵技術，可以預見微型無人直升機未來的研究將朝著模塊化、標準化、集群化、智能化等方向發(fā)展[13]。

3.1應用前景

目前在公開的報道中微型無人直升機主要應用于軍事用途，深受部隊的喜愛。據報道，“黑黃蜂”無人機最早投入戰(zhàn)場是在阿富汗，除美國以外，英國、澳大利亞等國家軍隊都有采購。2020年7月19日，網絡上出現一張敘利亞士兵手持一架捕獲的“黑黃蜂”3型微型無人直升機的照片，證實美軍的確已經將微型無人直升機用于戰(zhàn)場。目前微型無人直升機并沒有像人們期望的那樣得到廣泛應用，主要影響因素是設計、制造成本比較高。微型無人直升機研發(fā)過程中需要的包括結構、系統、元器件等都需要特殊定制，成本很難降下來。據媒體報道，PD-100微型無人直升機重量只有18g，售價卻高達19萬美元，折合人民幣130多萬元，不得不說擁有堪比黃金的價值。相信未來隨著技術進步，諸多難題將逐步解決，微型無人直升機一定會發(fā)揮其獨特功能，大有用武之地。

微型無人直升機最大的作用是解決“最后1km”。微型無人直升機具有體積小、機動靈活、可懸停、無起降場地要求、隱蔽性好、成本低、攜帶方便、可重復使用等諸多優(yōu)點，可以在狹窄、復雜空間區(qū)域靠近目標，并保持懸停，通過全天候圖像傳感器發(fā)送高清晰圖像等目標特征信息，特別適合在衛(wèi)星、偵察機和人員無法監(jiān)控的地區(qū)或高污染、高輻射等危險區(qū)域執(zhí)行偵察和監(jiān)視任務，完成其他無人飛行器無法執(zhí)行的任務，應用前景十分廣泛[14]。

在執(zhí)行軍事任務中，微型無人直升機可以提供探測、干擾、抑制及摧毀能力，雖然它的有效載荷有限，但操控性、隱蔽性好，可以飛抵敵方人員、雷達、通信設備、武器系統、防御設施等很近的區(qū)域或位置實施探測、監(jiān)視和干擾，如果攜帶微型高效能的炸彈，甚至計算機病毒、生化藥劑、電子干擾設備等，可以對敵方人員、設備、武器系統等目標實施近距離突然襲擊，造成致命或非致命毀傷。如果發(fā)動群體攻擊，其有效性會大大增加[15]。微型無人直升機融入其他有人平臺或無人系統組成網絡，可以擔負目標偵察、識別與打擊、實時損傷評估、通信中繼等任務，大幅提升有人平臺在反介入和區(qū)域拒止環(huán)境中的生存能力。例如，“黑黃蜂”微型無人直升機的地面控制系統，由一個帶手動控制器和顯示單元的基站和兩個飛行器組成。每個飛行器配備兩個日間攝像機和一個熱成像儀。使用者借助小型顯示屏和單手操作控制器的幫助下，操控飛行器實現導航、錄像以及懸停拍攝等功能，即使在夜間也可以清楚地為小型作戰(zhàn)單位提供額外的態(tài)勢感知情報，而不必曝露作戰(zhàn)人員的位置或讓其直接面臨危險。

此外，微型無人直升機可以廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測研究、自然災害救援、邊境安檢巡邏、消防滅火等諸多民用領域，還能夠攜帶特殊設備對遭受核、生化武器襲擊或者危險化學品泄漏污染區(qū)域進行探測和識別[16]。

3.2發(fā)展趨勢

（1）模塊化

隨著低雷諾數氣動機理研究、低功耗元器件、高能量密度電池等技術的不斷發(fā)展成熟，微型無人直升機集成化程度會越來越高，重量和體積會越來越小。與此同時，集成化程度越高，也會帶來故障診斷和檢修的困難，使得微型無人機的運行和維護成本極高。采用模塊化的設計思想和通用、開放式的設計理念，微型無人直升機可以根據需求組裝不同任務模塊，實現功能模塊“即插即用”，快速更換受損模塊，甚至可以在不同軍種、武器系統、使用場景間實現兼容操作，不僅可以使應用場景針對性更強、出動速度更快、可維修性更高，而且有助于顯著降低成本[17]。

（2）集群化

“蜂群”式的協同攻擊作戰(zhàn)可以帶來指數級力量倍增效應。集群協同作戰(zhàn)的前提就是信息共享，對未來數據鏈的發(fā)展提出了極高的要求，需要極高的數據傳輸速率和帶寬，以便“蜂眼”能夠實時將所見共享至整個“蜂群”。數量龐大、低成本的微型無人直升機隊可以從不同方向蜂擁而至使得目標應接不暇，或者發(fā)出虛假目標特征信號，使得敵方防御網絡徹底失效，同時對諸如雷達、通信、防空武器等敵方重點武器裝備進行“點穴”式失能毀傷，為己方后續(xù)進行大型武器裝備攻擊提供窗口。

（3）智能化

目前，微型無人直升機已經實現在與操縱員聯系被切斷的情況下完成自主返航、自主降落等功能。未來，隨人工智能、5G、微電子、納米技術等技術進步，微型無人直升機智能化、自主化、自動化程度必將大大提高，能夠自主完成飛行、目標搜索、識別和跟蹤、打擊決策等工作，成為在戰(zhàn)場上能力越來越強、越來越受到重視的先進武器裝備。

4結束語

微型無人直升機是多學科交叉的復雜系統，涉及航空、微電子、材料等多個領域，在軍、民用領域都有廣泛的應用前景。從當前的研究現狀來看，微型無人直升機的相關技術研究還遠未成熟，很多關鍵技術問題仍亟待解決，在實際應用中也還遠沒有挖掘出其真正潛力。未來隨著微型無人直升機技術的不斷成熟，各國研究機構必然會加大對微型無人直升機的研究和開發(fā)[18]。因此，無論是從使用價值方面，還是從推動技術發(fā)展方面考慮，我們都要緊跟技術發(fā)展前沿，大力推動微型無人直升機技術和應用研究向前跨越和發(fā)展。

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（責任編輯王為）

作者簡介

唐興中（1973-）男，碩士，研究員級高級工程師。主要研究方向：直升機總體。

Tel：13366107209E-mail：txz0305@163.com

Research on the Development Trend of Micro Unmanned Helicopter

Tang Xingzhong*，Leng Junjie，Li Zhiquan，Sun Wei Chinese Aeronautical Establishment，Beijing 100029，China

Abstract： Micro unmanned helicopter has the characteristics of small size， light weight， easy to operate， easy to carry and good concealment. It is suitable for individual reconnaissance and surveillance， special operations， communication relay， high-risk area detection and identification， group launch and other tasks. In this paper， through the research on the development status of micro unmanned helicopter at home and abroad， the key technologies such as microminiaturization and system integration technology， low Reynolds number aerodynamic analysis， micro power plant and energy technology， flight control and autonomous navigation technology， photoelectric sensor and image transmission technology， etc.， are studied and put forward. The development and application prospect of micro unmanned helicopter in the field of military and civil use are prospected.

Key Words： micro air vehicle； micro unmanned helicopter； micro electromechanical system； multidisciplinary design optimization