微型旋翼飞行器的现状分析和发展趋势初探

胡佳依 杜 鹏

（中国人民武装警察部队工程大学，陕西 西安710086）

1 基本概念

微型飞行器这个概念是在1992年提出来的，美国兰德公司和国防高级研究计划局 (Defense Advanced Research Projects Agency，简称DARPA)举办了一个关于未来军事技术的研讨会，当时的资深科学家奥根斯坦主持了关于微型飞行器的讨论。研讨会上，兰德公司提交的一份关于未来军事技术的研究报告，该报告首次提出了微型飞行器Micro Air Vehicle，简称MAV)的概念。会后，兰德公司对微型飞行器的原理进行了研究，认为带有微小传感器的微型飞行器是可以实现的，可以说，兰德公司是最早提出研制微型飞行器主张的。鉴于微机电系统和微型传感器的相关技术日趋成熟，专家们提出了微型飞行器的主要参数，基本指标定为：飞行器的各向尺寸在6～20厘米之间，质量为10～100克，负载1～18克，最大航程1～10公里，巡航速度30～60公里/小时，续航时间20～60分钟，能够进行遥控飞行或自主飞行、在狭小空间执行特定任务、数据通信及传输信息等基本特征。

2 微型旋翼飞行器的国内外发展现状

2.1 国外发展现状

国际上正在研究的微型飞行器多种多样，总体上可归为三类：微型扑翼式飞行器、微型固定翼式飞行器和微型旋翼式飞行器。在这三类微型飞行器中，扑翼式飞行器以体积小而著称，而固定翼飞行器则以飞行速度快为优势，微型旋翼式飞行器综合了以上两种飞行器的优点，而且具备能够垂直起降和空中悬停的特性，现已成为许多国家微型飞行器研究领域的热点之一。其中，关于四旋翼以及涵道式微型旋翼飞行器的研究在世界各地开展的如火如荼。

而在自主飞行领域中，涉足最早的当属麻省理工学院Dr.JonathanP.How领导的研究小组，其研究是在Draganflyer V Ti飞行器的结构基础上进行的，在实现遥控飞行的基础上来研究以自主飞行控制规律和飞行器结构为主。

德国在微型飞行器方面的研究也一直处于领先地位，其中，以MICRODRONES公司设计研发的微型旋翼飞行器MD 4-200为主要代表。MD 4-200稳定性非常好，这个飞行器采用由M D公司自行设计的盘式电机，这种电机做工精致效率高。MD 4-200是全碳工艺的，供电方式采用的是锂电池，悬停时的整机工作电流(含机载设备)约为2 A，其装有GPS定位系统，可以在室内和室外实现各种飞行姿态和悬停。

2.2 国内发展现状

国内的微型旋翼飞行器的研究主要是在遥控领域。从2000年开始国内很多高校便开始了对微型旋翼飞行器研究的广泛关注，其中包括国防科技大学、哈尔滨工业大学、哈尔滨工程大学、北京航空航天大学等等，但是这些研究还主要是在理论知识和仿真方面。

在2009年9月，由哈尔滨工程大学学生自主研发的遥控微型旋翼飞行器试飞成功，可以说这是国内各高校研发微型旋翼飞行器很成功的一个实例，这也对国内微型旋翼飞行器研究技术的空白起到了一定得填补作用。由此可以看出我国在微型旋翼飞行器的研发制作上已经有了一定的发展。

3 微型旋翼飞行器的存在不足和未来发展趋势

3.1 存在不足

由于微型旋翼飞行器对于电路板的设计非常精密和严格，这对如何能够满足既定任务需要且达到规定尺寸要求的微型旋翼飞行器来说是一个重大的考验。同时，由于微型旋翼飞行器的特殊性，如何选用合理的控制算法来提高其稳定性也是目前存在的问题之一。

尺寸小、速度低的特点要求微型旋翼飞行器要比普通飞行器在较低的雷诺数下飞行。这时空气的粘滞力很大，与大飞机相比，微型旋翼飞行器按比例所受的阻力更大。研究高效的气动外形也成为了研究微型旋翼飞行器的主要内容之一。

微型旋翼飞行器必须实现垂直起降、悬停等特殊飞行要求，单靠已有的电机装置和配置结构难于实现这一目标。如何控制微型旋翼飞行器各种姿态的飞行是一个难点，至少要有一个飞行控制系统来控制它，并可执行控制人员的指令。执行任务中，微型飞行器要保持与操控人员的通信联系以及实时数据的传输，由于体积的限制，目前微型飞行器只能采用微波通信方式，尽管微波可以传播大量的数据，但它不能穿透墙壁，因而只能在视距内使用。由于GPS质量大、尺寸大、功率大的特点，在视线外使用GPS自动导航还有一定难度，需要进一步改进。要想在任务中得到实际应用，还需要携带各种侦察传感器，如微型摄像机、红外、音响及生化探测器等。这些都必须是超轻质量的微型传感器，因而部件微型化是传感器技术发展的关键问题。

3.2 未来发展趋势

从整体结构上来看，由于微型旋翼飞行器严格限制了自身重量、尺寸以及载重量，为了充分利用有限的重量和空间，实现微型旋翼飞行器结构框架、电池与功能元件一体化是实现旋翼飞行器微型化的有效发展思路。电池续航时间的延长、飞行器载重量的增加以及避障能力的提高是微型旋翼飞行器未来发展的主攻方向。

微型旋翼飞行器将作为单兵可携带的一种作战战场装备，其潜在的作用包括空中监视、野外搜捕、抢险救援中的目标识别、生物战剂探测、通信中继，它甚至能探测到大型建筑物和大型设施的内部情况，因此，为士兵增添了“缝隙之眼”。实现人类所无法触及的空间的侦查和探测。

纵观国内外针对微型旋翼飞行器的发展现状和目前世界对于控制理论、控制方法以及动力学、电子信息学等内容的突飞猛进的发展动态，微型旋翼飞行器的发展前景一片大好，也有越来越多的国家和科研人员正在为开发更多功能更小形态的微型旋翼飞行器而奋斗在科研一线，对于这种在民用、警用、军用都能表现出自身特色的且可用性极强的微型旋翼飞行器来说，将会是改变未来空中力量的强大助推器。

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［3］袁昌盛,付金华.国际上旋翼飞行器的研究进展与关键问题[J].航空兵器,2005（6）:23-27.

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