微型飛行器的研究進展和關鍵技術

于海山　王子琦

摘 要：隨著芯片技術和單片技術的快速發展，微型飛行器在日常生活中也越來越常見，無論是娛樂、科研還是工作，微型飛行器的應用越來越廣泛。由于微型飛行器的體積小、重量輕、攜帶方便，可廣泛適應于各個應用場景，因此得到了廣大使用者的青睞，也推動了我國微型飛行器技術的快速發展。文章首先對微型飛行器的研究進展和研究現狀做簡要的介紹，然后針對微型飛行器的關鍵技術進行詳細的說明，為今后微型飛行器的研究指出相應的研究方向。

關鍵詞：微型飛行器；研究；進展；關鍵技術

中圖分類號：V279+.2 文獻標志碼：A 文章編號：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

隨著科學技術的快速發展，微型飛行器在日常生活中的應用也越來越廣泛。微型飛行器的種類繁多，各大科研院所、高校、科技公司對四旋翼微型飛行器的研究最為廣泛，而且較為深入。此外，基于微型飛行器的各類科技創新比賽也層出不窮，激發了人們對于微型飛行器領域的廣泛關注。基于微型飛行器的航拍、偵測應用技術已趨于成熟，在微型飛行器配送貨物的領域，各大科技公司也已開始進行深入的研究。隨著單片機技術、電池技術、控制技術、傳感器技術以及伺服控制技術的進步，微型飛行器趨于小型化、輕量化、多功能化的發展。

美國是最早研究微型飛行器的國家，由于美國國防高級研究計劃局的對其軍事與科研價值的關注，使微型飛行器進入高速發展的黃金時期。由于微型飛行器的體積較小、速度快、偵查能力強、隱蔽性強、不易被察覺，因此，在軍事領域中作為微型偵察機探測敵方的軍事動態有著不可替代的優勢。隨著軍事技術的民用化，越來越多的微型飛行器技術被應用在工業領域，微型飛行器也揭開了其神秘的面紗，進入大眾的視線。目前來看，微型飛行器的體積較小，一般不超過15cm，微型飛行器體積越小其制作也就越困難，對各類技術的要求均有所提高。本文針對微型飛行器的研究現狀進行簡要的介紹，并對微型飛行器技術中的關鍵點進行詳細的介紹，為未來微型飛行器的研究提供一定的研究方向。

1 微型飛行器研究現狀

（1）多旋翼微型飛行器。目前，無人機領域研究最多的就是多旋翼微型飛行器。國外有許多著名的微型飛行器公司和高校，如Lutronix公司、Auburn大學、加利福尼亞大學等許多著名的高校和公司。國內著名的院校如北京航空航天大學、西北工業大學、南京航空航天大學在多旋翼無人機的領域研究較為廣泛，且取得了一定的技術成果。在實際應用領域深圳大疆無人機公司尤為突出，大疆公司的無人機廣泛用于航拍、娛樂、空中監測、農作物監測、噴灑農藥等領域，其無人機控制系統結構完整，相應速度快，自主化控制程度高，用于空中作業時可搭載全景相機，在惡劣的環境下依然可以取得良好的拍攝效果。

（2）仿生微型飛行器。仿生無人機的研究主要集中在國外的高校和科技公司，如Aero Vironmen公司研制的代號“尖兵”的微型控制器，“尖兵”一經問世便由于其良好的隱蔽性、偵查性、續航性被應用在實戰中；桑德斯公司研制的“MicroStar”固定翼微型飛行器，其體積很小，重量也只有幾十克，電池壽命長，機動性能強，在航拍領域的拍攝效果極佳。“偵查鳥”鴨式微型飛行器于1996年7月在麻省理工學院林肯實驗室問世，經過近二十年的發展，其控制技術已經完全成熟，廣泛應用于晝夜偵查領域。此外，還有加利福尼亞大學研制的仿蒼蠅的無人機，其應用領域主要集中在偵查和自然災害后的人員搜救領域。

2 微型飛行器關鍵技術

（1）傳感器技術。實現微型飛行器控制的前提是首先確定微型飛行器當前的狀態，并根據微型飛行器現在的狀態做出合適的處理，并控制各個運動部件的運動，使其達到預期的目的。微型飛行器智能感知系統包括傾角傳感器、磁傳感器、距離傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器等。慣性傳感器可以結合GPS模塊控制飛行的路徑和飛行方向；磁傳感器與傾角傳感器結合使用可以測量微型飛行器的飛行姿態；距離傳感器可以探測微型飛行器周圍是否存在障礙物，防止微型飛行器與外界環境中的物體發生碰撞；溫度傳感器可以測量微型飛行器所處環境中的溫度，由于上述各個傳感器的測量值的精度與溫度存在很大的關系，因此，需要根據溫度傳感器的數據進行溫度誤差補償，保證各類測量數據的精確性。加速度傳感器廣泛應用于航空航天領域，其可以測量周圍空氣的流速、微型飛行器的加速度、高度等信息。

（2）集成控制系統。在微型飛行器的研究中，微型飛行器的控制系統如何能適應復雜的外界環境，如何讓微型飛行器在無人工干預的情況下按照人的要求實現相應的功能，完成特定的任務，是研究人員的研究重點。由于微型飛行器的控制涉及多個學科，例如，傳感器技術、計算機科學技術、微機原理、控制工程、智能算法等多個領域的知識。研究微型飛行器的控制首先需要將人的思想“移植”給微型飛行器，使微型飛行器按照人類的方式處理遇到的復雜問題，根據遇到的不同情況，做出合理的決策，并控制各個運動部件協同運動，保證無人快速調整自身的姿態，使其在惡劣的環境下也能實現正常的控制功能，是微型飛行器領域的重點研究方向。因此，微型飛行器的研究關鍵是對其控制系統的研究。

（3）故障診斷與處理技術。微型飛行器在飛行過程中不可避免的出現故障，有些故障可以預測，并通過微型飛行器內部的控制程序自行解決，有的故障無法預測，微型飛行器無法自主處理。微型飛行器的故障處理與診斷技術受到了廣泛的關注，由于微型飛行器在空中運行時，地面控制人員只能在微型飛行器正常運行的時候，對微型飛行器發送控制指令，并控制微型飛行器的運行。但當微型飛行器出現故障的時候，如何控制微型飛行器的運行，使微型飛行器按照預期的飛行路線或命令運動。如何通過微型飛行器在系統內部對自身實現故障的診斷和無人干預下的故障自主處理也是微型飛行器研究的關鍵問題。

（4）納米材料技術。隨著微型飛行器的體積越來越小，制造微型飛行器所用的材料也越來越小。在微型飛行器領域，納米材料是制造小型微型飛行器的關鍵。盡管納米材料也廣泛應用于光學、精密儀器、通訊行業，但在微型飛行器領域，納米材料還有巨大的應用空間和研究價值。在微型飛行器內部的微型控制器、微型電機等微型飛行器的各種組成機構，都可通過納米材料制造。

（5）續航技術。微型飛行器在高空中執行任務的時候，其能源的供應問題也是限制微型飛行器應用的關鍵問題之一。由于微型飛行器體積較小，無法通過燃油或燃氣技術為其提供動力，只能通過移動電源為其供電，這也要求電源的體積與微型飛行器的體積相匹配。微型電池由于體積小，其電池容量也相對較小，且微型飛行器上所有傳感器和運動部件的動力均由微型電源提供，因此，如何保證微型飛行器獲得長時間的續航能力，保證微型飛行器長時間執行任務也是微型飛行器的關鍵技術。

（6）精密制造技術。隨著微型飛行器應用環境的需要，微型飛行器的體積越來越小，組成微型飛行器的各個零部件的體積也越來越小，而且對各個零件的加工精度和裝配精度要求較高。微型飛行器的制造加工屬于精密制造領域，根據使用需求保證微型飛行器的加工精度，尤其是在仿生無人機領域，當前的技術實現滿足精密制造的要求還存在一定的問題。

3 結束語

微型飛行器的研究涉及較多的領域和學科，其研究價值不僅僅局限于微型飛行器領域，其對相關發展也促進了相關領域的發展，研究微型飛行器技術對國家在將來占領微型飛行器產業具有十分重要的意義。微型飛行器的使用價值、研究價值和應用前景也促使各個國家在微型飛行器領域進行不斷的投入，保證各自在微型飛行器領域的先進性。本文結合微型飛行器的研究現狀和關鍵技術對微型飛行器進行詳細的描述，相信隨著各科技術的發展，未來微型飛行器的應用將會更加廣泛。

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