微型飛行器的設計原則和策略

昂海松

南京航空航天大學 微型飛行器研究中心， 南京　210016

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微型飛行器的設計原則和策略

昂海松*

南京航空航天大學 微型飛行器研究中心， 南京210016

摘要:為了探索微型飛行器(MAV)總體設計方法，在簡要介紹微型飛行器的概念與技術難點的基礎上，筆者根據多年的MAV研究和試驗，提出了對微型飛行器設計原則的思考，闡述了研究性和實用性MAV以及固定翼、撲翼和旋翼等不同類型MAV的設計特點。通過MAV設計的矛盾與協調關系、設計方法和優化問題說明了MAV設計的特殊性。最后，展望了微型飛行器設計的發展方向，為微型飛行器總體設計研究提供了參考思路。

關鍵詞:微型飛行器; 總體設計; 技術難點; 設計原則; 設計策略

微型飛行器(MAV)是20世紀90年代開始提出的新概念技術。自1997 年美國國防高級研究計劃局(DARPA)正式啟動微型飛行器基礎技術研究到現在十多年時間，受到各國許多著名大學和研究機構的熱情響應和探索研究。美國與歐洲等舉辦多次微型飛行器的表演與比賽，出現了多種形式、大小不同、形狀新穎的微型飛行器試驗機。

目前，微型飛行器技術向基于兩個不同目的的方向發展。

一類是研究性MAV的發展。以大學為主要研究力量，仍然苦苦追尋著DARPA于1996年討論的“15 cm尺寸”的目標[1]，研制出各種各樣探索性的微型飛行器，如圖1所示，有固定翼、撲翼和旋翼3類微型飛行器[2]。從各國微型飛行器的表演與比賽作品可以看出，其形式多樣，但多數還是遙控飛行表演，少數具有一定的自主飛行控制與導航能力。美國Florida大學已研制出新型的15 cm微型飛行器并成功飛行，處于15 cm尺寸微型飛行器研制的領先水平。微型共軸雙旋翼飛行器和四軸螺旋槳微型飛行器，以其可在空中懸停而引起很多人的興趣。一大批科技工作者苦苦研究和探索，尋找新的突破口,因此才有美國加州大學伯克利分校研制的25 mm大的“機器蒼蠅”(Micromechanical Flying Insect)和哈佛大學研制的30 mm大的“Flying Robotic Insects”，盡管目前它們只是無控制地撲動“飛行”很一小段距離。

另一類是實用性MAV的發展。DARPA和軍方同時把注意力投向軍事實用性。自2001年起，美國國防部將MAV列入先期概念技術演示(Advanced Concept Technology Demonstration)計劃。雖然DARPA曾提出150 mm 的研制計劃，但目前難以應用于實際。由于軍事上需求較迫切，在眾多探索性微型飛行器中，2006年，美國DARPA和軍方選擇一些實用可行性更大、但尺寸也更大的微型飛行器作為微型空中偵察裝備，進入“演示驗證”和戰場上試用, 如圖2所示[2]。

圖1研究中的15 cm或更小的微型飛行器[2]
Fig. 115 cm or less micro air vehicle under research[2]

圖2美國應用于軍方的微型飛行器[2]
Fig. 2MAV applied to US military[2]

美國航空環境(AeroVironment)公司最早研制的“黑寡婦”(BlackWidow)MAV采用固定翼方案。其第一代和第二代產品(150 mm)于2000年通過試飛實驗，曾名喧一時。其中第二代“黑寡婦”MAV，質量為80 g，可連續飛行30 min，后因承載能力太弱而停止研制。公司改為研制“黃蜂”系列(WASP)MAV，其中WASP I型翼展為330 mm,WASP II型翼展為410 mm。該公司還研制了由燃料電池驅動的“大黃蜂”(Hornet)，該MAV翼展為380 mm。2006年12月，美國空軍和海軍陸戰隊選擇美國航空環境公司研制的MAV“黃蜂”中較大尺寸的WASP II型(質量為273 g)和WASP III型(質量為430 g)，計劃作為美國“戰場空中目標偵察系統”進行研制。

美國霍尼韋爾公司(Honeywell)為DARPA研制了一種與之前的微型飛行器完全不一樣的涵道風扇式MAV，涵道直徑為330 mm，高約為600 mm,質量為16 lb(1 lb=0.453 592 4 kg)，由于采用多油箱汽油發動機驅動，承重大，可懸停。2006年，DARPA將其正式列入軍事用途的先期概念技術驗證計劃。2007年，該型MAV已部署到伊拉克進行試用，用于從空中識別臨時爆炸裝置(IED)。

1微型飛行器的技術難點

由于微型飛行器是新概念技術，成熟的設計方法和設計資料很少，在筆者十幾年來對數十種微型飛行器的研制和探索中，深刻體會到MAV設計、研制和試驗中的一系列技術難點[3-4]。

1) 低雷諾數氣動特性引起的不穩定

雷諾數Re是表征流體慣性力和黏性力之間相互關系的無量綱數，Re=ρVL/μ，其中：ρ為大氣密度；V為飛行速度；L為飛行器特征長度；μ為黏性系數。

由于MAV尺寸小、速度低，呈典型的低雷諾數氣動特性。微型飛行器飛行時因低雷諾數，其表面的層流附面層難以維持，十分容易發生“分離”，而導致小迎角也會出現MAV表面氣流的不穩定,如圖3所示[5]。

2) MAV的非線性、非定常力學特征

圖3煙風洞中低雷諾數層流附面層發生分離的實驗[5]
Fig. 3Low Reynolds number laminar boundary layer separation experiment in smoke wind tunnel[5]

微型飛行器外形布局與常規無人機有很大不同。固定翼MAV的小展弦比單翼布局、撲翼MAV的復雜運動翼、旋翼MAV的升力與速度控制的耦合等，使得其氣動和飛行力學呈強烈的非線性和非定常特征。因此，MAV的構型與運動形態以及其飛行控制必須作特殊設計(參見圖4，圖中：t為時間;T為周期;α為迎角;fflap為撲動頻率)。

3) MAV質量小、抗陣風能力弱

MAV質量小(典型的小于200 g)，在有風或大氣紊流的情況下不但難于維持穩定，甚至有在強風作用下墜毀的可能。這無疑給復雜環境和較遠距離的自主飛行控制帶來極大的困難。圖5反映了陣風作用下固定翼微型飛行器升力系數CL和阻力系數CD的波動明顯[5],圖中：f為陣風脈動頻率。

4) MAV承載能力小、續航時間短

由于MAV尺寸小升力有限，因此其承載能力很小。為了保證MAV的結構、系統和任務載荷的功能，系統的重量和尺寸必須要超微型化。而且動力與能源的重量也有限制，要具備一定的續航時間，這無疑是設計的難題。

圖4撲翼升力與推力的非定常變化[5]
Fig. 4Variation of unsteady flapping wing lift and thrust[5]

圖5陣風對MAV升力和阻力的影響[5]
Fig. 5Effect of gust on MAV’s lift and drag[5]

5) 高度集成的系統電磁干擾問題

MAV不得不對重量要求“苛刻”并對內部系統要求高度集成，在十幾厘米范圍內，要布置動力系統、能源裝置、飛行控制與導航系統、信息傳輸系統和任務裝置，所以對各個“分系統”不能不“以克計較”并減少設計接口。由于微弱的信號和高密度電路所產生的內部電磁干擾問題，是MAV精確控制和信息傳輸的難關。

2微型飛行器設計的原則

對于微型飛行器設計的特殊性，國際無人機協會主席Michelson在論文“微型飛行器系統設計概述與集成”[1]中有較深刻的理解：“……15 cm以下尺度的微型飛行器并不是大尺寸飛行器的簡單縮小，因為物體運動所受到的空氣動力作用隨著物體尺寸的減小而改變。……更嚴重的氣動設計問題是微型化、能源和非尺度問題。”

微型飛行器的設計對航空工程師提出了新的挑戰，不能不尋求不同于常規無人機設計傳統程序的新思路。

1) 研究性微型飛行器

直到目前為止，微型飛行器還是探索類的新概念飛行器。微型飛行器能小到什么程度？能完成什么樣的功能？什么樣的構型比較適合?尚需要長時間的研究，因此，研究性微型飛行器的探索是必要的。這類MAV的研究(不論是理論研究還是飛行器試驗機的研制)不一定有明確具體的實用目標。研究的目的主要是探索微型飛行器的尺寸效應、構型與布局、動力與能源、飛行控制方法、承載能力、執行任務功能、系統的超微型化、避障功能等。為此，以微型飛行器小尺寸來推動各種形式的MAV設計，以及與之相適應的微型器件的設計與制造和智能控制方法仍然是MAV研究的發展方向。

2) 實用性微型飛行器

鑒于微型飛行器具有體積小、重量輕、隱蔽性好、靈活性強以及適于近距離細節偵察等特點，其正在成為一類新型作戰模式和特殊環境(如城市、山林、海上登陸、機降作戰和反恐等)下的特種裝備或“蜂群”式作戰裝置。研制當前需求的實用微型飛行器也非常必要。

由于現階段在材料、微細加工、系統模塊、動力、能源、任務裝置等方面的微型化和重量的局限性，要想使微型飛行器執行一定的實用功能(飛行距離、續航時間、承載能力、自主能力和執行任務)，必須放寬對原來有關微型飛行器的技術要求，尤其是對尺度的放寬，以保證能承載足夠的重量、滿足續航時間要求的能源和足夠的抗風能力。

3) 微型飛行器類型的選擇

在微小尺寸的限制下研制出多種多樣的飛行器構型，也是MAV外形設計與常規無人機布局的很大不同。從飛行原理角度將現有的MAV分為固定翼微型飛行器、撲翼微型飛行器和旋翼微型飛行器3類[5-6]。

① 固定翼微型飛行器

固定翼微型飛行器是目前幾種MAV中飛行速度最快的一種，而且阻力小、耗能小，但不能懸停。即使是固定翼微型飛行器也與常規無人機有所不同，通常不但設計為單翼式，而且受最大尺寸限制機翼為小展弦比，如圖6所示。

② 撲翼微型飛行器

仿鳥或昆蟲的撲動飛行模式是微型飛行器目前獨特的形式之一[7]。撲翼微型飛行器在空中飛行時酷似鳥，如圖7所示，因此隱蔽性好。由于目前的撲翼驅動多半為機電機構，尚不能實現生物肌肉驅動，因此能耗較大。隨著撲動機構的改進和智能化，撲翼微型飛行器將是很有發展前途的MAV。

③ 旋翼微型飛行器

旋翼微型飛行器是指主要通過旋翼(包括螺旋槳)獲得升力和前進力的微型飛行器，有單旋翼型和共軸雙旋翼型，目前發展迅速的是多旋翼型，如圖8所示。

旋翼微型飛行器的最大特點是可以在空中懸停，但相對耗能大、速度慢。

由于目前微型飛行器的實用產品較少，所以尚不宜像常規無人機那樣以使用性能來分類，而是根據使用要求來選擇和設計適合類型的微型飛行器。

4) 微型飛行器的技術要求

圖6南京航空航天大學研制的部分固定翼微型飛行器
Fig. 6Parts of fixed wing MAVs developed by Nanjing University of Aeronautics and Astronuatics (NUAA)

圖7南京航空航天大學研制的部分撲翼MAV
Fig. 7Parts of flapping wing MAVs developed by NUAA

圖8南京航空航天大學研制的部分多旋翼MAV
Fig. 8Parts of multi-rotor MAVs developed by NUAA

與其他無人機一樣，微型飛行器的技術要求也涉及到：任務使命、環境適應性和隱蔽性、飛行性能(速度、高度、續航時間、控制半徑、起降方式和飛行控制等)、 使用性要求(可用性、可靠性、維修性、安全性和便攜性等)和經濟性要求。

然而，微型飛行器更強調隱身、適應特殊環境、狹小空間飛行、使用便捷和低成本等特殊要求。對微型飛行器具體技術指標的確定，必須進行精心的綜合設計與協調，經過反復修改才能達到所期望的技術要求。

3微型飛行器設計的策略

1) MAV設計的矛盾與協調

微型飛行器體積微小且高度集成，改變任何一個技術指標值，都會牽一線而動全身。因此微型飛行器不能像大型無人機那樣，對外形、氣動、結構、動力、控制系統、信息系統、任務裝置各自進行獨立設計，必須采取綜合設計、反復協調的策略。

① 尺寸、有效載荷和續航時間的協調

微型飛行器的尺寸限定了最大有效載荷，如果尺寸大小確定，要增加有效載荷必然會消耗更大的能源，而在能源重量不變的情況下，那只能減少續航時間。但在一定微小尺寸范圍內，并不是尺寸越大，承載重量越大。這是因為尺寸增大，阻力增大，所耗能源增大，因此單純增大尺寸，在續航時間不變時，并不一定能增加有效載荷重量。因此，在微型飛行器尺寸一定的情況下，必須對有效載荷和續航時間的指標進行協調。

② 升力、動力和能源的協調

無論是固定翼、旋翼、還是撲翼微型飛行器，升力的大小取決于提供的動力大小。然而，增加動力，必然會增加能源的消耗。但在其他性能指標不變情況下，能源加大則增加了飛行器重量，因而，原有的升力就不夠了。目前，微型飛行器多數采用電動機，通常電池重量要占到飛行器總重量的1/3左右，高能重比的電池選取很重要。目前聚合物鋰電池重量減輕的空間已有限，如果沒有其他能源替代，那么電池重量、電動機耗電率、承重升力必須反復進行協調。

③ 尺寸、質量和控制的協調

常規尺寸的無人機，其尺寸大小與飛行控制之間并沒有直接關系。微型飛行器則不然，因為微型飛行器尺寸越小，其低雷諾數的氣流特性越明顯。低雷諾數的氣流容易在飛行器表面產生氣流分離，從而引起飛行的不穩定。另一方面，在小尺寸下要保證提供升力的機翼面積，就只能設計為小展弦比(甚至展弦比接近1)，而小展弦比機翼的非線性飛行力學特征較突出(見圖9[5])。同時，小尺寸和小質量的微型飛行器還易受大氣紊流的干擾。低雷諾數、非線性、非定常的空氣動力學特性給飛行控制帶來很大的困難。微型飛行器的尺寸與質量的指標和控制方法的設計必須反復進行協調。

圖9固定翼MAV的非線性渦[5]
Fig. 9Nonlinear vortex of fixed wing MAV[5]

④ 高集成性、尺寸和電磁干擾的協調

系統的高集成性是先進微型飛行器設計所必需的。而小尺寸的微型飛行器機體，給各種電器(動力系統、能源裝置、伺服舵機)、電子設備(控制與導航系統、信息傳輸系統、任務設備)留有的空間很小，因此，高密度電路、電器和電子器件對微系統微弱信號所產生的內部電磁干擾問題，一直是微型飛行器電磁兼容設計的難關。因此在強調高集成性的同時，必須精心布置各種電器、電子設備的位置并進行電磁屏蔽設計。

微型飛行器的特點就在于小，而小尺寸給微型飛行器的設計和研制帶來一系列的矛盾。這些矛盾又密切相關，不是單一改變總體尺寸就能解決的問題。“為減輕飛機的每一克重量而奮斗”是飛機設計者的座佑銘，對微型飛行器設計來說，更是成功與否的關鍵。微型飛行器系統每一個零部件必須“克克計較”。與常規飛行器相比，微型飛行器的尺寸要求與功能性要求的協調存在更大的困難性，這主要受制于現有微小型器件的技術水平。如果希望微型飛行器完成某系列技術指標的性能要求，同時又嚴格限定其最大尺寸，有時會矛盾到“不可能”。由于微型飛行器本身就很小，變化余量小，使用部門必須與有經驗的設計部門仔細討論研究，反復協調技術指標要求方可。

2) MAV設計方法的特殊性

① 特殊的氣動設計方法

由于 MAV的非線性、非定常力學特征，線性空氣動力學計算方法已不適合用于微型飛行器設計。為此，需要求解非定常Navier-Stokes流體動力學方程，即

(1)

式中：W=[ρρuρvρwρe]T為守恒變量；F(W)和Fv分別為對流通量和黏性通量，守恒變量對原始變量的雅克比矩陣為

(2)

對微型飛行器求解式(2)：一要解決適應低雷諾數問題，如用預處理方法；二要求解隨時間邊界變化的非定常空氣動力學問題，如用預處理雙時間步推進法[5]。

對于具有大幅邊界運動的撲翼氣動特性計算，還必須要設計求解非定常流場的良好動態網格生成技術，如文獻[5]提出的一種動態嵌套網格分層管理的思想和雙重Delaunay圖映射的動態網格生成方法，如圖10所示，解決了既有部件大幅運動又有結構變形的柔性撲翼的非定常流場計算問題，揭示了仿鳥與仿昆蟲撲翼由于附著渦的延遲脫落而產生高升力和柔性撲翼產生“反卡門渦街”的尾流作用而形成推力的機理(見圖11)，解釋了鳥沒有螺旋槳或噴氣機而能前進飛行的原理[5]。

圖10動態嵌套網格[5]
Fig. 10Dynamic nested grid[5]

圖11撲翼渦高升力機理與柔性撲翼反卡門渦街[5]
Fig. 11High lift mechanism of flapping wing and anti Carmen vortex of flexible flapping wing[5]

② 材料與結構

要減少微型飛行器結構重量，必須用復合材料。目前，MAV多半采用比模量、比強度高的碳纖維樹脂復合材料。為了減少著陸碰撞損傷，也有將著陸部分結構用芳綸纖維復合材料的。

固定翼MAV結構通常設計為翼身融合有空腔的整體結構。為了減緩陣風作用，固定翼MAV也有設計成柔性單壁面結構(如圖12所示)的，經實驗驗證[5]，柔性結構翼有明顯的減緩陣風干擾的作用。撲翼的結構一定要設計成有弦向柔性變形的形式。因為撲翼在上下主動撲動的同時，只有通過柔性結構的慣性力而產生弦向“撲動”，才能產生前進的推力(見圖11)。多旋翼微型飛行器通常設計有沿徑向伸出的支臂。為了便于攜帶，南京航空航天大學微型飛行器研究中心將其設計為支臂可折疊形式，如圖13所示[6]。

圖12柔性固定翼結構[5]
Fig. 12 Flexible fixed wing structure[5]

圖13四旋翼折疊形式[6]
Fig. 13 Folding form of four-rotor wing[6]

智能材料結構也是微型飛行器新型結構發展的一個方向，如哈佛大學研制的“飛行昆蟲”試驗機(見圖1)，就是設計一種電致變形材料驅動機構來產生120次/s的翼拍動。

鳥與昆蟲用很小的能量可以飛行很長時間,要遠遠小于現在用電機帶動機械機構進行撲翼運動所消耗的能量。生物專家研究發現，由肌肉的伸縮來帶動骨骼運動是一種極省能量的驅動方式，而肌肉的伸縮是由肌肉中存在的兩種纖維狀的蛋白質“肌動蛋白”和“肌球蛋白”相互滑動產生的，從而才有了對外做功的機械能。兩種纖維狀蛋白質的運動是由動物所攝取的食物轉化的化學物質在神經指令下的化學作用結果。有專家研究用電致伸縮聚合體人造肌肉(ElectrostrictivePolymerActuatedMuscle,EPAM)來驅動撲翼“骨骼”，無需電動機、減速齒輪等復雜機械裝置而實現撲翼機械運動[8]。

③ 微機電系統(MEMS)傳感器

微型飛行器系統要盡可能設計的重量輕和體積小，因此，所用傳感器必須超微型化，目前主要采用的是MEMS傳感器。

MEMS是微電路和微機械按功能要求在芯片上的集成，芯片尺寸通常在毫米或微米級。MEMS傳感器是采用微機械加工技術制造的新型傳感器。

微型飛行器所用傳感器主要分兩類：一類是飛行控制導航所用傳感器，如陀螺和加速度計(如圖14所示[5])、磁強計、氣壓計、溫度傳感器、衛星導航接收機等，以及微處理計算機芯片(如圖15所示[5])；另一類是對外探測傳感器，如微型可見光攝像機、熱成像儀、紅外探測儀、超聲波測距儀、激光測距儀等。無論何種傳感器，想做到微型化都離不開MEMS技術，有的還需要將原來的電路板模塊研制成集成芯片。

圖14MEMS陀螺和加速度計[5]
Fig. 14MEMS gyroscope and accelerometer[5]

圖15微型飛行控制模塊(南京航空航天大學)[5]
Fig. 15Micro flight control module (NUAA)[5]

由于原理、結構設計和加工工藝方面的限制，微型傳感器的精度通常較低，測量信息中有時誤差比較大，對誤差進行分析和建模是提高器件特性的有效手段。進一步對微型傳感器進行誤差補償(如圖16所示)以提高MEMS器件的使用精度[6]。

圖16MEMS陀螺濾波前后Allan方差圖對比[6]
FIG. 16Comparison of Allan variance diagram before and after wave filtering of MEMS gyroscope[6]

④ 智能控制方法

由于MAV質量小，易受陣風干擾而呈強烈的非線性和大幅度的非定常飛行動力學問題，無人機常規的比例-積分-微分(PID)控制方法已不適用，必須根據不同的微型飛行器類型、甚至不同的特定MAV對象，來建立智能飛行控制方法。

文獻[9]中提出了一種在線神經網絡動態逆自適應控制方法(如圖17所示)，結合時標分離的思想，設計了慢變量和快變量動態逆，同時引入在線神經網絡自適應補償逆誤差，神經網絡通過權重的在線調整，可以重構多種原因所引起的逆誤差，動態消除逆誤差對整個系統的影響，并通過偽控制補償器適當改變參考模型輸出信號，避免了自適應神經網絡與作動器之間的交互影響，從而使系統始終保持穩定。試驗結果表明：神經網絡動態逆有較強的魯棒性、穩定性、抗陣風干擾能力和指令跟蹤能力，顯著提高了微型飛行器控制自適應能力。

圖17在線神經網絡的自適應控制系統結構[9]
Fig. 17Structure of adaptive control system of online neural network[9]

圖18基于生物視覺匹配的全自主識別環境方法[6]
Fig. 18Methods of fully autonomous recognition of environment based on biological visual matching[6]

要實現微型飛行器室內自主控制飛行，單純的基于慣性導航的智能軟件控制方法還不夠，GPS衛星導航因室內無信號而無法使用，因此要識別室內環境、避開障礙物飛行，還需要增加其他傳感器及控制方法。南京航空航天大學微型飛行器研究中心創建了一種無衛星導航、自主識別環境和自動避障的全自主微型機載控制系統。提出一種無GPS導航、無需遙控或地面站通信，集視覺、超聲波、激光、慣性、磁傳感器的機載全自主飛行控制與導航技術，建立了環境特征識別、障礙位置估計、走廊深度透視分析、運動軌跡優化的環境自主識別方法，提出了基于生物視覺匹配方法對目標的跟蹤與定位技術(如圖18所示[6])，建立了一套微型飛行器自動識窗入室、自動避障、自動規劃的機載全自主飛行控制導航系統。近來利利用昆蟲對光流敏感的避障原理，設計的基于光流傳感器的MAV飛行控制方法[10]，也是一種有意義的探索。

此外，撲翼MAV的升力控制與推力控制耦合問題、多旋翼MAV的姿態控制與軌跡控制耦合問題，都需要建立特殊的控制模型和控制方法。

3) 微型飛行器系統設計的優化

從上述分析可知，要設計出較滿意的微型飛行器，對設計進行細致的優化，無疑是十分必要的。然而，微型飛行器尺寸小、重量輕、系統高度集成，使得單方向優化設計行不通。協調綜合優化設計是微型飛行器必需的途徑，僅就尺寸和續航時間問題就涉及到飛行器總體設計、空氣動力學、動力、能源、電子、自動化、機電制造等學科，這也是微型飛行器需要多學科設計綜合優化的原因。

多學科設計優化(MDO)方法是近年來發展起來的一種可以解決復雜工程系統和多學科動態影響的優化設計方法，通過充分利用各個學科之間的相互作用所產生的協同作用，以獲得系統的整體最優解。

只有采用多學科優化設計方法才能有效得到“最佳”設計結果。如，以最小重量為目標的MDO，包括幾何外形、結構、內部系統重量與布置的設計。當然，MDO依賴于各個子系統的分析方法是否有效。筆者先后對MAV機翼氣動外形設計、增大航程優化設計、撲翼的氣動設計、承重能力設計、抗陣風干擾設計進行了MDO研究，取得了一定的效果。從科學意義上來說，微型飛行器技術正是在小尺寸下“逼”出來的新技術。必須設計新的布局以及柔性結構來適應低雷諾數氣動特性和大氣紊流的干擾；必須研究小到0.2g(甚至更小)的MEMS傳感器和其他電子器件，以及如何設計成高度集成、重量很輕的內部系統；必須研制能產生足夠功率而重量微小的動力裝置；必須研究新型的比能高、供能時間長的輕型能源；必須研究與現在不同的材料結構和舵面驅動方法；必須研究完全不同于無人機各種動翼型的飛行器原理，以實現小尺寸而滿足性能要求的新型MAV。

4結束語

微型飛行器技術從正式計劃進行基礎研究到現在僅十幾年時間，其仍然屬于起步階段的新概念技術。根據國外和筆者研究的情況，要研制尺寸更小、性能好、實用性強的微型飛行器，在新型MAV型式探索、力學與控制原理、微型器件、動力、微電子技術等方面需要大量的研究[11-14]。

各種微型飛行器類型與系統技術的發展還剛剛開始，人們心目中的微型飛行器，希望更微小、更靈巧和更智能化，能夠像自然界各種各樣的鳥類一樣自由飛翔，像蜜蜂、蚊子一樣隱秘潛行，具有像蜜蜂一樣的視嗅覺與靈感、像飛行生物一樣吃幾粒谷就能飛幾十公里的能力。

因此，微型飛行器系統技術的發展，不僅要創新更多構形的MAV，還要發展更微小的動力裝置、能重比更大的微型新能源和轉化技術、更輕和具有主動力感知與控制的智能材料、生物量級的傳感器、仿生物神經智能控制技術、仿生物對環境的感知識別技術、更微型化的信息傳輸技術、超微型特種功能裝置等。反過來，微型飛行器的研究不僅推動無人飛行器的發展，也必然促進微系統技術的發展，促進生物和多學科交叉技術的發展。

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昂海松男， 教授， 微型飛行器研究中心主任。主要研究方向： 飛行器設計。

Tel: 025-84896205

E-mail: ahs@nuaa.edu.cn

Received： 2015-08-11; Revised: 2015-10-21; Accepted: 2015-11-22; Published online: 2015-11-27 09:22

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151127.0922.002.html

Foundation item： Open Project of State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures (1001-IZD15001-1505 MCMS-0415G01)

Design principles and strategies of micro air vehicle

ANG Haisong*

Research Center of Micro Air Vehicle, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing210016, China

Abstract:In order to explore the overall design method of micro air vehicle (MAV), this paper briefly introduces the concept and technical difficulties of the MAV based on the author’s years of MAV research and test, it also proposes some thoughts on MAV design principle, discusses the research MAV and the practical MAV. The design features of different types of MAVs such as fixed wing, flapping wing and rotor MAVs are described. The strategies of MAV design are given and the special characteristics of MAV design are illustrated in terms of the contradiction and coordination of MAV design method and optimization problem. Finally, the development trend of MAV design is prospected, which provides the reference for the overall design of MAV.

Key words:micro air vehicle; overall design; technical difficulties; design principles; design strategies

*Corresponding author. Tel.： 025-84896205E-mail: ahs@nuaa.edu.cn

作者簡介：

中圖分類號：V211.3

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6893(2016)01-0069-12

DOI：10.7527/S1000-6893.2015.0314

*通訊作者.Tel.： 025-84896205E-mail: ahs@nuaa.edu.cn

基金項目：機械結構力學及控制國家重點實驗室開放課題 (1001-IZD15001-1505 MCMS-0415G01)

收稿日期：2015-08-11; 退修日期: 2015-10-21; 錄用日期: 2015-11-22; 網絡出版時間: 2015-11-2709:22

網絡出版地址： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151127.0922.002.html

引用格式： 昂海松． 微型飛行器的設計原則和策略[J]． 航空學報, 2016, 37(1): 69-80. ANG H S. Design principles and strategies of micro air vehicle[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(1): 69-80.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn