微型飞行器的研究进展和关键技术

于海山　王子琦

摘 要：随着芯片技术和单片技术的快速发展，微型飞行器在日常生活中也越来越常见，无论是娱乐、科研还是工作，微型飞行器的应用越来越广泛。由于微型飞行器的体积小、重量轻、携带方便，可广泛适应于各个应用场景，因此得到了广大使用者的青睐，也推动了我国微型飞行器技术的快速发展。文章首先对微型飞行器的研究进展和研究现状做简要的介绍，然后针对微型飞行器的关键技术进行详细的说明，为今后微型飞行器的研究指出相应的研究方向。

关键词：微型飞行器；研究；进展；关键技术

中图分类号：V279+.2 文献标志码：A 文章编号：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

隨着科学技术的快速发展，微型飞行器在日常生活中的应用也越来越广泛。微型飞行器的种类繁多，各大科研院所、高校、科技公司对四旋翼微型飞行器的研究最为广泛，而且较为深入。此外，基于微型飞行器的各类科技创新比赛也层出不穷，激发了人们对于微型飞行器领域的广泛关注。基于微型飞行器的航拍、侦测应用技术已趋于成熟，在微型飞行器配送货物的领域，各大科技公司也已开始进行深入的研究。随着单片机技术、电池技术、控制技术、传感器技术以及伺服控制技术的进步，微型飞行器趋于小型化、轻量化、多功能化的发展。

美国是最早研究微型飞行器的国家，由于美国国防高级研究计划局的对其军事与科研价值的关注，使微型飞行器进入高速发展的黄金时期。由于微型飞行器的体积较小、速度快、侦查能力强、隐蔽性强、不易被察觉，因此，在军事领域中作为微型侦察机探测敌方的军事动态有着不可替代的优势。随着军事技术的民用化，越来越多的微型飞行器技术被应用在工业领域，微型飞行器也揭开了其神秘的面纱，进入大众的视线。目前来看，微型飞行器的体积较小，一般不超过15cm，微型飞行器体积越小其制作也就越困难，对各类技术的要求均有所提高。本文针对微型飞行器的研究现状进行简要的介绍，并对微型飞行器技术中的关键点进行详细的介绍，为未来微型飞行器的研究提供一定的研究方向。

1 微型飞行器研究现状

（1）多旋翼微型飞行器。目前，无人机领域研究最多的就是多旋翼微型飞行器。国外有许多著名的微型飞行器公司和高校，如Lutronix公司、Auburn大学、加利福尼亚大学等许多著名的高校和公司。国内著名的院校如北京航空航天大学、西北工业大学、南京航空航天大学在多旋翼无人机的领域研究较为广泛，且取得了一定的技术成果。在实际应用领域深圳大疆无人机公司尤为突出，大疆公司的无人机广泛用于航拍、娱乐、空中监测、农作物监测、喷洒农药等领域，其无人机控制系统结构完整，相应速度快，自主化控制程度高，用于空中作业时可搭载全景相机，在恶劣的环境下依然可以取得良好的拍摄效果。

（2）仿生微型飞行器。仿生无人机的研究主要集中在国外的高校和科技公司，如Aero Vironmen公司研制的代号“尖兵”的微型控制器，“尖兵”一经问世便由于其良好的隐蔽性、侦查性、续航性被应用在实战中；桑德斯公司研制的“MicroStar”固定翼微型飞行器，其体积很小，重量也只有几十克，电池寿命长，机动性能强，在航拍领域的拍摄效果极佳。“侦查鸟”鸭式微型飞行器于1996年7月在麻省理工学院林肯实验室问世，经过近二十年的发展，其控制技术已经完全成熟，广泛应用于昼夜侦查领域。此外，还有加利福尼亚大学研制的仿苍蝇的无人机，其应用领域主要集中在侦查和自然灾害后的人员搜救领域。

2 微型飞行器关键技术

（1）传感器技术。实现微型飞行器控制的前提是首先确定微型飞行器当前的状态，并根据微型飞行器现在的状态做出合适的处理，并控制各个运动部件的运动，使其达到预期的目的。微型飞行器智能感知系统包括倾角传感器、磁传感器、距离传感器、温度传感器、加速度传感器等。惯性传感器可以结合GPS模块控制飞行的路径和飞行方向；磁传感器与倾角传感器结合使用可以测量微型飞行器的飞行姿态；距离传感器可以探测微型飞行器周围是否存在障碍物，防止微型飞行器与外界环境中的物体发生碰撞；温度传感器可以测量微型飞行器所处环境中的温度，由于上述各个传感器的测量值的精度与温度存在很大的关系，因此，需要根据温度传感器的数据进行温度误差补偿，保证各类测量数据的精确性。加速度传感器广泛应用于航空航天领域，其可以测量周围空气的流速、微型飞行器的加速度、高度等信息。

（2）集成控制系统。在微型飞行器的研究中，微型飞行器的控制系统如何能适应复杂的外界环境，如何让微型飞行器在无人工干预的情况下按照人的要求实现相应的功能，完成特定的任务，是研究人员的研究重点。由于微型飞行器的控制涉及多个学科，例如，传感器技术、计算机科学技术、微机原理、控制工程、智能算法等多个领域的知识。研究微型飞行器的控制首先需要将人的思想“移植”给微型飞行器，使微型飞行器按照人类的方式处理遇到的复杂问题，根据遇到的不同情況，做出合理的决策，并控制各个运动部件协同运动，保证无人快速调整自身的姿态，使其在恶劣的环境下也能实现正常的控制功能，是微型飞行器领域的重点研究方向。因此，微型飞行器的研究关键是对其控制系统的研究。

（3）故障诊断与处理技术。微型飞行器在飞行过程中不可避免的出现故障，有些故障可以预测，并通过微型飞行器内部的控制程序自行解决，有的故障无法预测，微型飞行器无法自主处理。微型飞行器的故障处理与诊断技术受到了广泛的关注，由于微型飞行器在空中运行时，地面控制人员只能在微型飞行器正常运行的时候，对微型飞行器发送控制指令，并控制微型飞行器的运行。但当微型飞行器出现故障的时候，如何控制微型飞行器的运行，使微型飞行器按照预期的飞行路线或命令运动。如何通过微型飞行器在系统内部对自身实现故障的诊断和无人干预下的故障自主处理也是微型飞行器研究的关键问题。

（4）纳米材料技术。随着微型飞行器的体积越来越小，制造微型飞行器所用的材料也越来越小。在微型飞行器领域，纳米材料是制造小型微型飞行器的关键。尽管纳米材料也广泛应用于光学、精密仪器、通讯行业，但在微型飞行器领域，纳米材料还有巨大的应用空间和研究价值。在微型飞行器内部的微型控制器、微型电机等微型飞行器的各种组成机构，都可通过纳米材料制造。

（5）续航技术。微型飞行器在高空中执行任务的时候，其能源的供应问题也是限制微型飞行器应用的关键问题之一。由于微型飞行器体积较小，无法通过燃油或燃气技术为其提供动力，只能通过移动电源为其供电，这也要求电源的体积与微型飞行器的体积相匹配。微型电池由于体积小，其电池容量也相对较小，且微型飞行器上所有传感器和运动部件的动力均由微型电源提供，因此，如何保证微型飞行器获得长时间的续航能力，保证微型飞行器长时间执行任务也是微型飞行器的关键技术。

（6）精密制造技术。随着微型飞行器应用环境的需要，微型飞行器的体积越来越小，组成微型飞行器的各个零部件的体积也越来越小，而且对各个零件的加工精度和装配精度要求较高。微型飞行器的制造加工属于精密制造领域，根据使用需求保证微型飞行器的加工精度，尤其是在仿生无人机领域，当前的技术实现满足精密制造的要求还存在一定的问题。

3 结束语

微型飞行器的研究涉及较多的领域和学科，其研究价值不仅仅局限于微型飞行器领域，其对相关发展也促进了相关领域的发展，研究微型飞行器技术对国家在将来占领微型飞行器产业具有十分重要的意义。微型飞行器的使用价值、研究价值和应用前景也促使各个国家在微型飞行器领域进行不断的投入，保证各自在微型飞行器领域的先进性。本文结合微型飞行器的研究现状和关键技术对微型飞行器进行详细的描述，相信随着各科技术的发展，未来微型飞行器的应用将会更加广泛。

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