小型无人机的当前现状和未来发展趋势

姚军 麻倍之 吴军 王榕 周应伟

本文从无人机平台、主要部件和科研等方面，介绍了小型无人机的最新发展。首先，基于全球133种小型无人机，介绍了当前的发展情况；然后，就小型无人机的科研成果，特别是平台的设计与制造、动力学模型和飞行控制等方面进行了介绍；最后，展望小型无人机的发展和军民应用。

无人机是一种没有机载乘员，通过远程遥控或自主飞行的航空器，其发展和应用前景不可估量。过去30多年，无人机以惊人的速度发展。迄今为止，超过50个国家开发了1000多种无人机，在军用、民用两大领域发挥了不可替代的作用。据蒂尔集团无人机市场预测，未来十年无人机的投入将从当前的每年52亿美元增加至116亿美元，总投资额达到890亿美元。

各类无人机中，小型无人机因其在科研、民用和军用等领域的突出优势，最受关注。首先，小型无人机使用成本低、操作性强、易维护，是有效的科研工具，同时很多科研领域（如动力学模型、飞行控制、导航和制导等）的跨越式发展又推动着小型无人机技术的进步，提升了其自动化程度；其次，小型无人机民用范围广，能应用于危机监控、搜索救援、航拍、地质勘探、天气预报、污染评估、火灾监测和辐射监测等诸多民用领域；最后，在作战和防卫方面具有不可替代的作用，是战区和城市环境中实现零伤亡、智能化、近距离侦察监视收集情报的理想工具。

大量公开资料证实，小型无人机使用了大量先进的工艺和设备。目前关于小型无人机的文献大多关注一些具体的应用或特定的领域，主要介绍无人机的设计、操作、感知、发展、风险评估和使用等情况，内容比较分散。本文将全面阐述小型无人机的演化和发展。首先综合分析全球商用的133种型号的小型无人机，并将其分为小型战术、微小型和微型三种类型；然后回顾具有代表性的研究成果，并将其重新划分为旋翼、固定翼和拍翼三类，并对每类的平台设计与制造、动力学模型和飞行控制发展进行描述；最后预测小型无人机在科研、民用和军用的未来发展趋势，并进行总结。

小型无人机平台

无人机可按多种特征分类，目前还没有统一的方法。本文结合最新版《无人系统整合路线图》、《无人机系统：设计、研发和使用》以及美国国防部预研局对微型无人机的定义，综合考虑无人机的机体尺寸、起飞总重量、飞行速度、最大升限、作战半径、续航时间以及用途等基本特征，把小型无人机分为小型战术型（近程）、微小型和微型三类。表]列出了相关的详细技术参数，其中机体尺寸表示固定或转动翼展，作业半径基于特定的视距条件，真实高度表示相对于地面的高度，后面标有“*”的值是由本文分析后确定，并非官方发布。

为了深入了解小型无人机的当前状况，表2和表3从军用和民用角度，列举了全球500多家无人机制造商生产的133种型号小型无人机。

小型战术型无人机

在上述三种类型无人机中，小型战术型无人机具有较大的起飞重量和翼展，性能优于其它两种。但是，如表1所示，相对于大型无人机（如战术、高空长航时、中空长航时等），小型战术无人机在技术性能指标上还是相对落后。小型战术无人机主要用于陆军机动分队的侦察监视、目标指引、监控和空域安全等作战行动，也可用于海岸监视、电线监测和交通监控等多种民用领域。

表2和表3共列举了18套小型战术无人机系统，综合相关信息得出了以下两点结论：

（]）固定翼无人机共有13套，占总数的72%，说明固定翼在小型战术无人机中占有主导地位；

（2）军用和民用的比例为11：7，说明民用型需求量大，很有发展潜力。

目前，主要有亚洲、欧洲和北美三个地区生产小型战术无人机，其中北美最多，在军用和民用分别占有60%和55%。除了传统的固定翼和单旋翼无人机之外，许多小型战术无人机极具创意，如MLB开发的同轴V-BAT无人直升机。图1列举了具有代表性的固定翼、单旋翼、杂交和同轴小型战术无人机。

微小型无人机

相比于小型战术无人机，微小型无人机的巡航速度较低、有效载荷较小、续航时间较短，因此使用空域更为有限。微小型无人机基本上都是可折叠和可拆卸设计，可由单兵便携使用，特别适用于机动作战分队实施的侦察、监视和目标指引等任务。如RQ-11B“大乌鸦”无人机，已大量装备美国空军、海军、海军陆战队和特种作战司令部。民用微小型无人机实现了成本、可操作性、重量、载荷需求和可维护性方面的平衡，非常适合商业应用，如航空摄像、通信中继和货物运输等。目前全球市场上有113种型号的微小型无人机，据调查分析得出如下两点结论：

（1）固定翼和旋翼微小型无人机的军用民用数量比率基本相同，分别为30：22和34：27，说明即便使命不同，固定翼和旋翼无人机在军用和民用领域同等重要。

（2）民用和军用的比率是61：52.说明微小型无人机在民用领域已经比较普及。

多旋翼无人机主要包括四旋翼、六旋翼、八旋翼和共轴六旋翼等，其中军民应用比例分别为45%和70%。过去十年，多旋翼无人机的使用需求旺盛，使其迅速普及并展现出良好的发展前景。如Parrot公司2010年1月推向市场的AR四旋翼无人机，在2013年12月全球销售总量超过了50万套。

目前主要是亚洲、欧洲和北美三个地区生产微小型无人机，图2列举了微小型无人机的代表性机型。

微型無人机

1997年，美国国防预研局（DARPA）启动了3500万美元的微型空中飞行器（MAV）计划，旨在开发微型无人机原型：翼展小于15cm，滞空时间达到2h，可携带昼夜成像器，适合于作战环境和城市环境（特别是建筑物内）的无人飞行器。2001年结束的第一阶段研究得出的结论几乎否定了这一计划，但随着科技的进步，一些之前难以实现的需求，在不久前已经变得很容易了（如尺寸和续航时间）。

第一个固定翼微型无人机的原型是航空宇航公司开发的“黑寡妇”微型无人机。1999年，“黑寡妇”成功地进行了20min飞行，并实时传输了图像（彩色视频）。其后续型号“黄蜂”已装备美国海军陆战队和特种部队司令部。“黄蜂”主要是在“黑寡妇”的基础上，进一步优化了机翼结构和电力消耗，但最新型“黄蜂”翼展拓展到了33cm，不属于本文定义的

微型无人机。

航空宇航公司耗时5年、耗资400万美元研制了一款比较出名的拍翼微型无人机——“纳米蜂乌”无人机，能够依靠双翼控制盘旋飞行，但公开信息表明“纳米蜂乌”已止步于概念验证阶段。目前唯一真正达到实战需求，并正在服役的微型无人机是挪威Prox Dynamics公司生产的“黑色大黄蜂”（见图3），转动翼展10.2cm、起飞总重量16g、最大飞行速度lOm/s，续航时间25min，能实时传送视频和图像。2012年8月，英军在阿富汗战场上已将该型机应用于实战。

最新技术的发展使许多航模爱好者玩起了微型无人机，如图3中的Hubsan微型四旋翼无人机，一体化设计和良好的姿态稳定性实现了微型无人机的完全自动化。

小型无人机的研究进展

小型无人机的出现，在空气动力学、飞行动力学、飞行控制、计算机视觉等研究领域对学术界提出了挑战，也给开发设计和实际性能评估提供了一个契机。小型无人机研究的快速普及，主要表现在以下三个方面：

（1）目前一共有36个世界领先的机构组织开展小型无人机的研究、开发和生产，并且有更多机构重视小型无人机，并投身其中。

（2）过去二十年，许多小型无人机比赛极大地提高了小型无人机的自动化、自主性和智能化，其中国际航空机器人大赛已有24年的悠久历史。

（3）目前有关小型无人机方面有影响力的研究成果已出版20多部，包括无人机原理和动力学模型、飞行控制、导航、制导等方面的研究专著。

表4列举了目前积极从事小型无人机研究的学术机构及其使用的无人机平台和重点研究领域。

小型无人机的开发主要包括五个步骤：平台设计与构造、动力学建模、飞行控制、导航算法的设计与实现、制导算法的设计与实现，以下是基本情况。

（1）平台设计与构造

平台设计与构造是研究小型无人机的第一挑战，直到2010年，才公开了高性能的开源自动驾驶仪系统（如PixHawk和ArduPilot）。表4列举的大多数研究组织，都是从平台设计与构造起步开展无人机研究的。旋翼机和固定翼飞机的平台比较通用，所以研究的重点是机载飞控系统，具体包括：

1）飞行控制和任务处理单元的能力；

2）导航传感器和任务传感器的感知能力；

3）功率消耗和通信模块的有效范围；

4）抗振设计；

5）电磁干扰设计；

6）最佳配重设计。

（2）动力学建模

动力学建模是第二个阶段。动力学建模，包括线性和非线性建模，它表示执行机构（如伺服驱动器或电机）输入和飞行响应（如加速度、角速度、姿态、速度和位置）之间的关系，其目的是得到一个在特定飞行条件下或在飞行包线中飞机飞行动力的数学模型。动力学模型是后续系统设计的前提，特别是基于模型的控制技术。不管哪种类型的飞机，直接决定模型质量的有两个关键要素：模型结构和参数识别方法。

（3）飞行控制

飞行控制用于稳定飞机姿态，获得预期的速度、位置和航向。在过去三十年里，随着飞行控制的广泛研究，各种控制技术应用于研究性小型无人机平台。但实际应用中，最多的还是传统级联控制方法：将飞行动力学模型简化成单变量或多变量的一系列控制模型，按设计指标要求选择相应的控制器，通过闭环设计的连续性实现整个控制系统。目前应用于小型无人机的控制技术主要有类：线性模型控制、非线性模型控制和非模型控制。线性模型控制是经典的控制方法，主要是线性化时不变参数，只能在特定飞行条件下或很窄的飞行包线内保证模型精度，性能也相应受限，主要包括PID控制、最优控制和鲁棒控制。非线性模型控制通常是基于非线性飞行动力学模型，克服了线性模型控制的局限，主要方法有自适应控制、反馈线性化控制和模型预测控制等。非模型控制主要包括模糊逻辑和学习控制。

（4）导航制导

导航是指为了完成指定任务，对飞机状态及周围环境的数据采集、数据分析、信息提取和信息推算，具体可分为全球导航和区域导航。全球导航技术已经非常成熟，许多商用导航传感器单元可以提供飞行状态测量和评估，满足全球导航的需求，因此不是当前学术界的研究重点。而区域导航主要使用机载有源和无源任务传感器，满足小型无人机的飞行导航需求，在全球导航信号易受干扰和篡改的前提下，成为了目前的研究重点，其研究进展目前处于保密状态。

小型固定翼无人机导航制导算法已经取得了许多研究成果，目前正向实际应用层面发展。表4中，参与小型固定翼无人机研究的机构有10个，其中4个开展导航方面的研究，有影响的研究成果都是关于小型旋翼无人机的导航算法方面。

旋翼无人机的研究

小型旋翼无人机由于出色的悬停能力、载荷能力和操控性，在三类平台中最为突出，应用最为广泛。表4中共有24家机构选择了小型单旋翼、多旋翼无人机作为实验平台，达到总数的70%。

（1）无人机平台

当前小型旋翼無人机平台已经发展非常成熟，2005年之前研究的还比较多，如今研究减少。根据相关调查表明，大多数机构在开发小型旋翼机时都遵循以下基本规律：

1）机载飞控系统组件通常采用商用产品，很少自主研发，部件选择上比较关注输入/输出设备的兼容性，一般采用串行通信；

2）机载软件一般基于QNX、RTLinux和VxWorks_个底层实时操作系统，采用层级化和模块化设计架构，关键任务一般作为独立模块编写，并分配不同优先级（斯坦福大学“蜻蜓”无人机机载软件就是基于这种标准流程）；

3）无线遥控飞行器平台的最低条件限制是遥控链路要保持通视；

4）地面控制站系统硬件一般是加固便携电脑，软件一般是基于非实时操作系统开发的。

（2）动力学建模

小型旋翼无人机动力学建模必须结合旋翼振动动力学和基础六自由度刚体动力学，面临的挑战主要是模型结构的建立和参数识别。复杂的非线性旋翼振动动力学很难简化，严重影响了整个模型的可识别性。高阶模型结构的参数较多，大大增加了参数识别的难度。

目前，旋翼机的动力学建模主要涉及单旋翼、共轴和多旋翼三种结构。其中关于单旋翼动力学建模研究最多，代表性的成果是美国卡内基梅隆大学机器人学院的小型旋翼无人机系统识别模型，它有两大创新：1）采用以六自由度刚体动力学为基础，结合简化的旋翼挥舞效应、稳定杆动力学和预置偏航率陀螺仪动力学，最大程度地简化了模型结构；2）为得到高精度的悬停和前向飞行环境，首次将美国航天局艾姆斯研究中心开发的专业频域辨识（频率响应综合鉴定）工具包应用于小型旋翼无人机。后续的许多建模都是采用其模型架构，或者使用频率响应综合鉴定工具包进行开发。

小型多旋翼无人机已经取得了实质性的研究成果，目前研究重点体现在螺旋桨气动力学，飞行特技（如失速）气动力学的小型四旋翼无人机非线性建模。

（3）飞行控制

过去三十年，研究人员将各种控制技术，如PID控制、最优控制、鲁棒控制、自适应控制、反向控制、CNF控制、线性回归控制、模糊逻辑控制、学习控制等应用于小型旋翼无人机平台，以实现其自动飞行控制。表4中有23个机构参与了小型旋翼无人机的飞行控制研究。

虽然先进的控制技术在小型旋翼无人机上得以实现，但实际效果不足以说明先进的线性或非线性模型控制方案一定优于经典的、广泛使用的PID控制或最优控制。目前，通过对各种先进控制技术进行研究，并在科研性的旋翼无人机上进行测试，但很少发现飞行性能有明显的提高。这可能是因为大部分飞行控制工作都是集中在常规飞行环境或飞行包线中，而旋翼动力学有很好的线性度，经典控制技术能够很好地解决。

应用于攻击和特技操控的主要是基于学习的控制技术，但实验表明其效果一般，估计主要原因有以下两点：

1）利用基本原理或混合建模方法建立的非线性动力学模型，一般不能精确涵盖整个高复杂非线性的攻击或特技操控的动力学；

2）通过飞行试验很难、甚至不可能建立这种物理模型，线性或非线性模型控制技术无法应用到攻击或特技飞行控制。

固定翼无人机的研究

小型固定翼无人机在军事和民用领域应用较多，但因为其理论和算法验证比较复杂，通常需要在室外环境进行试验，耗时耗力，因此很少被研究机构应用。表4中只有10个机构进行固定翼无人机研究，在数量上比旋翼无人机少得多

（1）无人机平台

小型固定翼和旋翼无人机的平台设计和构建工作基本相同，目前出现了许多结合固定翼和旋翼特征的混合无人机设计研究，如新加坡国立大学开发的混合无人机。

（2）动力学建模

当前，小型固定翼无人机动力学建模基本采用，基于常规飞行环境的六自由度动力学模型和基于参数估计的系统识别，下文简要介绍具有代表性的建模成果：

1）作为单旋翼无人机建模工作的延续，综合频域辨识方法被应用于小型固定翼无人机巡航飞行状态的动力学建模。

2）起飞阶段（基于ARX/ARMAX/B模型）和降落阶段（基于去耦六自由度刚体动力学模型）的系统识别，是非常规飞行条件或飞行包线的动力学模型识别的典型研究成果。

（3）飞行控制

小型固定翼无人机飞行控制主要包括：PID控制、最优控制、鲁棒控制、自适应控制、线性回归和神经网络，其现状如下：

1）上述控制技术广泛运用于飞行控制设计（在导航制导究领域更加广泛），但由于实际应用困难，其实验结果大多来源于仿真验证；

2） PID控制和线性控制已应用于实际，但大多数非线性模型控制技术只是处于理论研究和仿真验证阶段，还没有进行飞行试验。

3）与旋翼无人机一样，应用于攻击和特技操控的效果一般，原因类似。

拍翼无人机的研究

当前，扑翼无人机的学术性研究仍处于初步阶段，单纯地模仿乌与昆虫扑动翅膀飞行的微型扑翼飞行器已获得成功，但很多撲翼飞行器普遍采用“刚性”模型，与实际生物扑翼尚有差距，为显著提高平台设计、动力学建模和飞行控制，仍需加大投入。

（1）无人机平台

小型扑翼无人机的平台设计很具有挑战性。首先，由于尺寸小、重量轻，降低了气动效率和转换功率，而克服气动效率的降低需要提高推重比，这是面临的第一个挑战；其次，基于上述限制，需要开发合适的飞行方案，而不能简单搬用固定翼或旋翼无人机的飞行方案。另外，对处理部件、导航传感器和任务传感器的处理能力，特别是尺寸和重量的限制，使得飞控系统的设计难度成指数性增加。

目前拍翼无人机的研发基本上采用多重设计、原型构建和循环测试的方法进行，主要体现在以下3个方面：

1）拍翼结构：有双拍翼和四拍翼两种。虽然双拍翼仿生度最高，但因为四拍翼可以减小振动、增加升力，提高稳定性，目前许多无人机原型采用四拍翼方式，约占40%。另外也有少量的柔性翼和嵌条翼无人机，很有发展前景。

2）机翼几何设计：机翼几何形状是影响升力和推力的关键因素，其效率可以通过比较气动载荷的实验记录确定。

3）驱动机构：四驱动机构已经成功应用于扑翼无人机，关键技术包括：前置式双推杆设计，前置式双曲柄设计，传动装置侧挂式设计等。

上述3个方面是影响小型拍翼无人机飞行能力的关键，但其它设计，如定向控制方案、执行机构类型、拍翼频率和机体材料也严重影响整体飞行性能。图4列出了有代表性的扑翼无人机平台。

（2）动力学建模

当前扑翼无人机动力学建模的代表性技术如下：

1）通过整合六自由度牛顿欧拉方程组、准稳态扑翼气动力学和线性执行机构动力学，建立昆虫类拍翼无人机原始的非线性模型，然后实施验证，建立的模型有助于飞行控制设计；

2）结合拉格朗日方程和典型的拍翼气动力学，建立拍翼原型的非线性模型；

3）流体力学应用于这一研究领域。例如，流动求解器和网格变形方法已被应用于柔性翼运动学研究，得到了精度足够、拍翼频率范围较小的计算流体力学模型；

4）系统识别应用于扑翼无人机动力学建模。运动跟踪系统用来记录鸟类拍翼无人机的续航飞行机动，并且已建立具有精确俯仰和升沉动态预测的简化线性模型。

总的来说，小型扑翼无人机动力学模型研究还处于起步阶段，目前的研究重点仍局限于许多恒定或准恒定的特定飞行条件，如悬停或巡航飞行。

（3）飞行控制

由于平台设计和动力学建模还不成熟，目前很少有关于扑翼飞行器飞行控制研究的报道。此外，飞行控制一般是通过经典控制实现（主要是PID控制），自动化程度亟待提高。当前微型和纳米级飞行器的飞控情况如下：

1）最近有两家机构取得了微型拍翼无人机的初步自主飞行成果。加利福尼亚大学的伯克利设计了去耦六自由度纵向和横向动力学模型的两个PID控制器，并且在巡航飞行中用机载400Hz的控制器驱动了13g的拍翼无人机；DeIFly 11微型无人机也用去耦六自由度纵向和横向动力学模型的两个PID控制器，完成了小型风洞的自主状态保持；

2）目前只有哈佛大学的微型机器人实验室，在进行纳米级扑翼无人机飞行控制研究。最近，比例控制、自适应控制、无模型控制等技术已经应用到RoboBee平台，完成了二级基本自主飞行，但稳定性较差。

未来发展趋势

科研方面

小型旋翼、固定翼和拍翼无人机的研究趋势如下：

（1）小型旋翼无人机的研究将持续升温，具体如下：

1）多旋翼无人机价格便宜、操作方便、尺寸涵盖小型至微型，在室内和室外环境应用都有很大潜力，将主导旋翼无人机的研究领域；

2）旋翼无人机动力学模型已进入成熟阶段；

3）飞控和基于传感器的区域导航将是研究的主要趋势，测距相机（能提供RGB之外的距离信息）和激光雷达（具有三维扫描能力）等先进传感器有助于增强区域导航能力，将逐步进入这个领域；

4）未来研究重点将逐步转向制导算法的开发和实现，特别是多无人机协同控制、感知和任务规划。

（2）小型固定翼无人机的发展预测如下：

1）通过融入垂直起降无入机的功能进行平台的设计和构造，杂交无人机将更加普及，而微型固定翼无人机的发展将持续下降；

2）固定翼无人机的动力学建模和飞行控制研究已经日趋饱和；

3）旋翼无人机的导航和控制，由模拟发展到实际应用，将是今后的研究重点。

（3）小型扑翼无人机的研究很有前途，将日益普及，将来重点研究领域包括：

1）先进的平台设计，特别是微型和纳米级平台设计；

2）使用基本原理建模、系统识别和混合动力学建模；

3）线性、非线性飞行控制技术应用；

4）视觉状态估计和感知。

民用方面

民用小型无人机应用的最终目标是出现，类似于今天在公路上正常运营的汽车一样的场景，这源于航空管制和航空应用的发展。

（1）航空管制

民用小型无人机发展受限的主要原因是严格的空域限制。几乎所有民用无人机都只能在特定空域使用，或者达到外部空域对飞行器的特定要求才能使用。但是，不管是国家的权威机构（如美国联邦航空局和澳大利亚民航安全局），还是国际性权威机构，都没有建立完整的民用无人机航空准则。民用无人机因为涉及到安全，道德和隐私等方面的问题，其智能化水平不满足需求，在当前航空管制条件下，数量难以增加。

一旦空域限制问题得以解决，使用量将持续猛增，按照欧洲单一天空实施计划（SESAR）安排，到2035年，欧洲空域内将有40多万架商业和政府部门的无人机。许多法规正在进行改进和发展，当前已经取得了一些实质性的进展，如2013年美国交通部颁布的第一版民用无人机整合路线图（军用飞机标准），已对民用无人机的发展应用提出了规划设计；欧盟计划2017年在各成员国之间协调民用无人机操作法规，到2019年实施。

（2）航空应用

目前，小型民用无人机可应用于航空遥感、货物运输和通信中继。短期内，航空遥感在民用无人机市场仍占主要地位。航空遥感应用包括摄影（如应急监测、搜索救援、航空拍摄和地質勘察等）和监测（如天气预报、污染评估、火灾探测和辐射监测等）。最近，货运和快递成为小型无人机的新兴应用方向，如亚马逊的无人机快递测试等。无人机用作民事的通信中继和空中路由，虽然目前没有任何报道，但具有一定的可能性和必要性，其发展仍处于起步阶段。

军用方面

对小型无人机军事应用的发展预测主要来源于两个方面，一是2000年～2013年七个版本的无人系统整合路线图，二是两个主要的无人机市场研究公司（蒂尔集团公司和市场研究网）进行的无人机市场分析。其未来发展趋势简要概括如下：

（1）小型无人机的需求将逐年增加，到2020年美军装备总数将超过10000套（]套可能有多架无人机）。尽管有多种无人机产品，军购仍将局限于几家主要的无人机制造商，如航空环境公司和波音公司；

（2）固定翼和旋翼机的比例大约是97：3，固定翼在军用市场仍将占据主导；

（3）为提高信息采集效率和不同任务环境的适应性，特种传感器及其小型化将持续发展；

（4）小型无人机（特别是固定翼）由现在的自杀式攻击、情报搜集拓展到携带攻击武器，武装能力将进一步增强；

（5）小型无人机目标小、机动灵活，能快速机动阻止并击毁来袭目标，将成为未来有人一无人系统中不可或缺的组成部分；

（6）小型无人机培训将进一步规范，并将扩大到军官和在役士兵。

总结

本文搜集了全球范围内的133个小型无人机，从影响小型无人机发展的三个主要方面进行了较为全面的概述。首先，基于收集信息把小型无人机分为小型战术型、微小型和微型三类，并简明扼要地介绍了目前的进展情况；然后，简要回顾了学术界小型无人机的研究进展，按照固定翼、旋翼和拍翼等类型进行重新分类，并对每种类型的平台设计构造、动力学建模和控制等方面的基本情况和顶尖技术进行了分析；最后，预测了未来2～5年小型无人机在军用、民用和科研方面的发展。