微型飞行器发展现状与关键技术

姜倩等

摘 要：微型飞行器作为研究热点，是一个多学科交叉的研究领域。文章描述了微型飞行器的起源；结合国内外近十年的研究情况，依照飞行布局阐述三类微型飞行器的发展状况，分析相关关键技术与主要难点。

关键词：微型飞行器；微电子机械系统；系统集成；多学科优化

中图分类号：V279.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）08-0001-02

随着时代的发展和功能的多样性，人类对飞行器的要求也发生着变化。在莱特兄弟时期，人们希望飞行器安全稳定飞行，以实现商业化；到一战二战时期，人们提出长航程长航时的要求，积极寻求飞行器军事用途；到冷战时，东西方大国对高空高速高超机动性能的追求。

到了20世纪末，人类又另辟蹊径，提出“微型化”的要求——“微型飞行器”（Micro Air Vehicle-MAV）概念应运而生。

1 微型飞行器研究起源

1992年，美国国防高级研究计划局（Defense Advanced R-

esearch Program Agency-DARPA）在美国德兰公司（RAND）召开关于未来军事技术的研讨会。会上，RAND公司首次提出MAV概念：翼展不超过15 cm，质量10～100 g，最大航程1～10 km，巡航速度30～60 km/h，续航时间20～60 min的飞行器。此后，麻省理工学院林肯实验室（Lincoln Laboratory）和美国海军研究室（NRL）对MAV各个层面进行详细评估，他们得出研制搭载微型传感器，可自主或人工操控完成一定任务的小尺寸微型飞行平台的构想是可实现的；MAV低成本、小体积、轻重量的特点符合未来军事斗争的趋势，对美国国防安全和保持军事领先具有重要意义。1995年，DARPA主持MAV可行性讨论会，会后就MAV技术可行性得出肯定的结论。1997年，DARPA提出微型飞行器研制计划项目，周期4 a，投入资金3 500万美元。该研究计划旨在研究和开发与MAV相关的结构、动力、材料、控制、传感等子系统。美国国内众多高校、企业与实验室参与竞标。同年，佛罗里达州立大学（University of Florida）发起并组织全美微型飞行器大赛，并逐渐扩大影响力，吸引美国、欧洲等各大高校和企业参加。除了DARPE，美国海军实验室，美国陆军实验室等科研机构也在从事MAV的相关技术研究。

2 微型飞行器研究现状

从MAV发展20余年的情况看，国内外关于MAV主要有两种分类方式。按照尺寸大小可分为：厘米-毫米级微型飞行器，和DARPA最初定义的15 cm级飞行器。按照飞行特点和气动布局可以分为：固定翼微型飞行器，旋翼微型飞行器和扑翼微型飞行器。本文将按照后者分类形式对MAV发展现状进行阐述。

2.1 固定翼微型飞行器

MIT林肯实验室研制的鸭式布局MAV属于早期MAV，用于侦察任务，分为昼间型与昼夜型。昼间型尺寸明显小于昼夜型，其搭载1.4 g摄像头及电池，可在100 m以下，1 000 m以内持续飞行60 min；每2 s完成一张照片的拍摄。

AeroVironment公司研制的“Black Widow”MAV呈盘装，采用锂电池供电的牵引式螺旋桨推行系统，搭载一台微型照相机和一个GPS定位装置。全机航程16 km，续航速度12 m/s，需要专门发射机构。此后该公司又推出其改进的第二代”Wasp”和第三代“Homet”。

Sanders公司发明的“Micro Star”固定翼MAV，可从手掌上起飞，具有基于GPS自主飞行和人工操控能力；采用螺旋桨推进，续航时间60 min以内；机翼内布置相关微电子设备和传感器，搭载的摄像头可实时传输采集的图像数据。

此外，较成熟的固定翼MAV还有美国海军实验室的“MITE”，MLB公司的“Trochoid”等。

2.2 旋翼微型飞行器

旋翼MAV可以悬停，垂直起降，具有在狭小的空间灵活自如工作的特点。

Lutronix公司和Aubum大学联合研制的“Kolibri”呈筒状，顶部安装螺旋桨，分为单旋翼和同轴双旋翼型号，采用微型柴油发电机，下部搭载相机；中部装有GPS/加速度计/陀螺仪集成导航系统，可实现自主飞行和悬停。其利用处于尾部螺旋桨下洗流的叶桨完成俯仰、横滚、偏航。

斯坦福大学研制的“Mesicopter”MAV是微型四旋翼飞行器。其机身为16 cmX16 cm的正方形，四角安装直径15 mm螺旋桨，每个螺旋桨都由独自微型电机驱动。实验室目前实现样机在一个竿臂上离地起飞。

日本爱普生公司研制的“Epson”原型机，拥有两列桨叶，其直徑为13 mm，高7 mm，由超声波马达驱动，搭载了微型电路和低功耗无线电模块。

2.3 扑翼微型飞行器

扑翼结构是一种原始的飞行布局，它被认为是自然界最完美的飞行结构。在达尔文的《论鸟的飞行》中，详尽地描述了他对鸟类的观察，设计出一系列扑翼式飞行器，开创了扑翼布局的研究。

在MAV方面，加州理工大学和AeroVironment公司及加州洛杉矶大学联合研制的“Micro Bat”是早期较为成功的电动扑翼MAV。其模仿蝙蝠的翅膀，采用锂离子电池动力，将内部电机的转动转化成20 Hz频率的扑动。

在DARPA的资助下，SRI公司和加拿大多伦多大学共同研制“Mentor”。目前其翼展15 cm的较为稳定，并完成系留飞行试验。其4片扑翼采用人造肌肉（EPAM）——一种电致伸缩聚合物驱动。

英国剑桥大学、ETS实验室和美国佐治亚技术研究所研制的“Entomopter”，采用往复式化学肌肉（RCM）驱动，能够将化学燃料转化为动能，完成翅膀10 Hz的扑动。

此外，还有美国陆军研究实验室的“机器苍蝇”，以及Vanderbilt大学利用压电原理驱动的微型扑翼昆虫，西北工业大学设计新型的“扑旋翼MAV”等。

3 微型飞行器关键技术

3.1 低雷诺数空气动力学问题

MAV并不是大型飞行器的缩小版，它的气动布局是需要重新设计的，原因在于雷诺数的变化。

尺寸的缩小将减小飞行器周围的雷诺数（大约在10 000）； MAV的飞行将犹如在粘稠的流体中运动一般，空气的粘性影响达到不能忽略的地步。此外，MAV的静稳定性较差，抵抗突风和不稳定气流的能力较弱。目前，低雷诺数下空气动力学没有很好的理论和仿真公式，多采用实验的方法辅助设计。

3.2 微机电系统集成与制造技术

MAV的发展离不开微电子机械系统（MEMS）的进步。由于MAV有限的内部空间和有限载荷，其机体尺寸和重量将被最大限度地缩减。但是研制性能稳定，又轻薄短小的机械结构和传感器又具有相当大的难度。因而，MAV必须是一个高度集成的微型复杂系统，包括微型器件的高度集成、有效载荷的最大限度集成等。借助于MEMS技术，研制更加轻量、更加多样的功能模块将是未来的趋势。但是集成之后的功能耦合与信号干扰又是需要解决的关键问题。

3.3 动力提供与推进装置

MAV的动力问题是制约续航时间和航程的重要因素。目前，MAV可以采用的动力源有：微型涡轮发动机、微型燃料/化学电池、微型太阳能电池等。由于矿物燃料释放的能量比同质量电池高，一部分科学家致力于开发矿物燃烧以解决MAV的动力问题。然而电机具有效率高、噪音小等优点，电驱动的前景也是可观的。目前电机微型化技术已经较为成熟，例如上海交通大學研制出2 mm微电机等。此外，电致人造肌肉、往复化学肌肉、弹性动力及热电动力等也都新型的动力机构。

3.4 飞控与导航技术

如前所述，MAV质量小，静稳定弱，对抗突风的能力较差，这就需要在飞控方面的优化改进。目前，在微型飞行器表面分布微气囊和智能材料、自适应翅膀等方法是具有开发潜力的方案。同时，MAV为完成自主飞行和人工操控，需要一套高度集成、低功耗的收发天线和GPS系统等。

4 结 语

MAV是基于MEMS技术，涉及空气动力学、结构、材料、推进、控制、遥感等多领域，跨学科优化，高度集成的复杂微系统。它的研发不仅是一个国家航空技术的体现，更是工业领先化的表现。由MAV带动和促进的相关技术将对一个国家的国民生产与社会建设带来可观的效益。

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