微型无人机发展现状研究综述 孔令沛,龚鹏,王璐 a.沈阳航空航天大学,辽宁沈阳110136) 摘要:微型无人机是基于微机电系统技术,涉及空气动力学、材料学、结构学等 多个领域集成的复杂系统。当前微型无人机大体可分为固定翼微型无人机、旋翼微 型无人机和扑翼微型无人机三大类,对其现有的典型样机进行綜述,并结合微型无 人机的起源及其发展历程,总结了其优越的性能特点和未来发展的方向。 关镳词:微型无人机;固定翼;旋翼;扑翼;发展 中图分类号:Ⅵ11 Research review on the development status of Micro UA\ Kong Ling-peil, Gong Peng (1. Shengyang Aerospace University. Shenyang, 110136) Abstract: Micro-unmanned Aerial Vehicle (UAV) is a complex system based on micro-electromechanical system(MEMS) technology, which involves the integration of aerodynamics, materials science, structure science and other fields. At present, micro UAV can be divided into three categories: fixed wing micro UAV, rotor wing micro UAV and flapping wing micro UAV. This paper reviews the existing typical models of micro UAV, and summarizes its superior performance characteristics and future development direction based on the origin and development history of micro UAV key words: Micro UAV; Fixed wing; Rotor; The flapping wing; Development 、引言 1903年美国莱特兄弟制造的“飞行者一号”成功进行了载人试飞实验,从此载人飞行器 得到了迅猛的发展,各种高性能的飞机越来越广泛的应用在民用和军用领域。为了拓展现有 飞行器的作业环境和应用范围,充分提现微小型飞行器的高度隐蔽性和空中飞行的高机动性 的优势,各国的航空科技人员开始把目光转移到微型无人机的设计与研发上来。 微型无人机最早是1992年美国国防高级研究计划局召开的一次未来军事技术研讨会上 提出的,著名的科学家奥根斯坦以微型无人机为主题做了相关探讨。之后,美国的著名企业 通讯作者:孔令沛邮箱862414919@qq.com
微型无人机发展现状研究综述 孔令沛 1 ，龚鹏，王璐 （a. 沈阳航空航天大学，辽宁 沈阳 110136） 摘 要： 微型无人机是基于微机电系统技术,涉及空气动力学、材料学、结构学等 多个领域集成的复杂系统。当前微型无人机大体可分为固定翼微型无人机、旋翼微 型无人机和扑翼微型无人机三大类，对其现有的典型样机进行综述，并结合微型无 人机的起源及其发展历程，总结了其优越的性能特点和未来发展的方向。 关键词： 微型无人机；固定翼；旋翼；扑翼；发展 中图分类号：V11 Research Review on the Development Status of Micro UAV Kong Ling-pei1 , Gong Peng1 , Wang Lu 1 (1. Shengyang Aerospace University. Shenyang, 110136） Abstract: Micro-unmanned Aerial Vehicle (UAV) is a complex system based on micro-electromechanical system (MEMS) technology, which involves the integration of aerodynamics, materials science, structure science and other fields. At present, micro UAV can be divided into three categories: fixed wing micro UAV, rotor wing micro UAV and flapping wing micro UAV. This paper reviews the existing typical models of micro UAV, and summarizes its superior performance characteristics and future development direction based on the origin and development history of micro UAV. key words: Micro UAV; Fixed wing; Rotor; The flapping wing; Development 一、引言 1903年美国莱特兄弟制造的“飞行者一号”成功进行了载人试飞实验，从此载人飞行器 得到了迅猛的发展，各种高性能的飞机越来越广泛的应用在民用和军用领域。为了拓展现有 飞行器的作业环境和应用范围，充分提现微小型飞行器的高度隐蔽性和空中飞行的高机动性 的优势，各国的航空科技人员开始把目光转移到微型无人机的设计与研发上来。 微型无人机最早是1992年美国国防高级研究计划局召开的一次未来军事技术研讨会上 提出的，著名的科学家奥根斯坦以微型无人机为主题做了相关探讨。之后，美国的著名企业 通讯作者：孔令沛.邮箱 862414919@qq.com
兰德公司便开始研究微型机的原理,最终的研究结果认为尺寸极小的无人机是能够实现的, 因此美国的兰德公司是最早提出了有关微型无人机的研制的[1-4]。微型无人机最初的设计 理念是作为战场上士兵能够携带的一种侦查设备,由于其体积小、成本低、质量轻,机动性 好、隐蔽性髙,因此具有很强的军事侦査作用,其作用包括空中侦査、化学物质探测、目标 搜寻等,由于其体积的优势,特别适于小部队行动和巷战侦察甚至还能够进入到建筑物里面 进行探测[5]。 本文将针对已经面世微型无人机进行充分的调研和分析,并提出微型无人机的发展前景 和展望。 二、微型无人机的应用及分类 ()微型无人机的主要应用 1.自然灾害的监测与救援 自然灾害是指给人类生存带来危害或损害人类生活环境的自然现象,近年来,在我国地 质结构相对复杂的地区出现了一些自然灾害现象,由于这些地区地势复杂,在灾害发生之后 救援人员不可能在第一时间到达灾害地区,此时便可以使用微型无人机监控灾害现场的状况, 根据反馈的现场信息进行最佳救援方案的制定,自然灾害中的微型无人机数据收集以及救援 工作的流程一般如图1所示。 另有需求,继续投放 教援地点观察 教援物资投放 收集场地资料 航线规划 投放质量检 影像质量检测 救灾成果 灾害现场测量 实时检测 影像质量 图1微型无人机自然灾害检测与救援流程图 收集现场资料:对受灾害地区进行全面的地形资料以及周边环境资料的收集与分析,确 定微型无人机最佳起降地点。 航线规划:根据微型无人机及其搭载的外设性能规划最佳航线,针对侦査任务航线规划 要全面覆盖受灾地区以及周边辐射地区的监测:针对救援任务航线规划要使飞行距离最短以 达到快速而准确的投放物资。 灾害现场检测:微型无人机根据实际环境状况进行航线微调,对受灾现场进行实时检测 并上传现场影像。 救援物资投放:微型无人机以最快的飞行速度将质量较轻并十分重要的传感器、精密零 件等进行投放,对进一步救灾计划的定制提供帮助 工作人员将下载微型无人机上传的受灾现场影像进行分析,质量不佳则使微型无人机进
兰德公司便开始研究微型机的原理，最终的研究结果认为尺寸极小的无人机是能够实现的， 因此美国的兰德公司是最早提出了有关微型无人机的研制的 [1-4]。微型无人机最初的设计 理念是作为战场上士兵能够携带的一种侦查设备，由于其体积小、成本低、质量轻，机动性 好、隐蔽性高，因此具有很强的军事侦查作用，其作用包括空中侦查、化学物质探测、目标 搜寻等，由于其体积的优势，特别适于小部队行动和巷战侦察甚至还能够进入到建筑物里面 进行探测[5]。 本文将针对已经面世微型无人机进行充分的调研和分析，并提出微型无人机的发展前景 和展望。 二、微型无人机的应用及分类 （一）微型无人机的主要应用 1.自然灾害的监测与救援 自然灾害是指给人类生存带来危害或损害人类生活环境的自然现象，近年来，在我国地 质结构相对复杂的地区出现了一些自然灾害现象，由于这些地区地势复杂，在灾害发生之后 救援人员不可能在第一时间到达灾害地区，此时便可以使用微型无人机监控灾害现场的状况， 根据反馈的现场信息进行最佳救援方案的制定，自然灾害中的微型无人机数据收集以及救援 工作的流程一般如图1所示。 收集场地资料 航线规划 灾害现场测量 救援地点观察 救援物资投放 实时检测 投放质量检测 影像质量检测 救灾成果 另有需求，继续投放 影像质量不合格，重飞或补飞 图 1 微型无人机自然灾害检测与救援流程图 收集现场资料：对受灾害地区进行全面的地形资料以及周边环境资料的收集与分析，确 定微型无人机最佳起降地点。 航线规划：根据微型无人机及其搭载的外设性能规划最佳航线，针对侦查任务航线规划 要全面覆盖受灾地区以及周边辐射地区的监测；针对救援任务航线规划要使飞行距离最短以 达到快速而准确的投放物资。 灾害现场检测：微型无人机根据实际环境状况进行航线微调，对受灾现场进行实时检测 并上传现场影像。 救援物资投放：微型无人机以最快的飞行速度将质量较轻并十分重要的传感器、精密零 件等进行投放，对进一步救灾计划的定制提供帮助。 工作人员将下载微型无人机上传的受灾现场影像进行分析，质量不佳则使微型无人机进
行重飞或者补飞:为了进一步了解受灾地区环境微型无人机可继续快速而准确的投放物资 微型无人机可以帮助工作人员快速的了解受灾地区的环境状况并制定高效的救援计划 2008年四川汶川发生8.0级大地震,地震造成的众多道路堵塞,救援人员无法及时到灾 害现场,国家中科院通过自己研发的微型无人机对灾情现场的情况进行了收集,大量的灾情 信息被收集到传给救援人员,确保了救援人员能够对伤者进行及时的抢救治疗 2016年新疆阿克陶发生Mw6.6级地震,工作人员利用微型无人机获取了该地区具有一定 重叠度的可见光遥感图像,并建立了该地区的数字模型与数字正射影响,对具有垂直错位的 地表破裂进行了识别并画出了高程剖面图,对于地震的研究具有重要的意义[13]。 2.军事侦查与航空检测 在军事战场上,士兵的生命是无比重要的,针对此点,微型无人机最大的优势就在于无 飞行员伤亡的危险,微型无人机体积小、质量轻、隐蔽性好,在危险性比较大的侦査任务或 搜寻任务中微型无人机可以发挥其全部作用,在未来的战争中微型无人机会被广泛的应用于 战术侦查、距离检测以及对敌方导弹进行摧毀等方面[6] 近年来,我国的航空监测任务都是通过无人机来执行的,利用无人机携带的设备进行相 关的拍摄,现阶段微型无人机主要用于测量和计算地面面积,以及数字化处理地块边界,在 执行任务时往往是结合自动相对定向原理进行拍摄,然后根据数据库进行相对应的匹配,最 终成对地面和空间数据的观测和处理。微型无人机的成本较低,并且灵活性较高,因此较为 广泛的应用于航空监测领域[4],针对此类任务微型无人机的系统设计构架总体包括基本硬 件设备、通讯方式、数据分析,如图2所示 数据传递 数据库 数据云计算 数据更新 数据分析 数据收集)数据管理 数据服务 通讯方式 无线通讯 有线通讯 网络通讯 硬件设备 微型无人机 地面站 遥控器 图2微型无人机系统总体构 硬件设备是整个微型无人机系统的基础层面,针对所执行任务的不同所使用的产品等级 也不同,执行军事以及航空检测任务时,基础硬件设备要求较高。 通讯方式是指微型无人机、遥控器以及地面站之间进行相互通信的方式,再执行复杂任 务是,整个微型无人机系统可以通过多种通信方式进行信息的实时交互
行重飞或者补飞；为了进一步了解受灾地区环境微型无人机可继续快速而准确的投放物资。 微型无人机可以帮助工作人员快速的了解受灾地区的环境状况并制定高效的救援计划。 2008年四川汶川发生8.0级大地震，地震造成的众多道路堵塞，救援人员无法及时到灾 害现场，国家中科院通过自己研发的微型无人机对灾情现场的情况进行了收集，大量的灾情 信息被收集到传给救援人员，确保了救援人员能够对伤者进行及时的抢救治疗。 2016年新疆阿克陶发生Mw6.6级地震，工作人员利用微型无人机获取了该地区具有一定 重叠度的可见光遥感图像，并建立了该地区的数字模型与数字正射影响，对具有垂直错位的 地表破裂进行了识别并画出了高程剖面图，对于地震的研究具有重要的意义[13]。 2.军事侦查与航空检测 在军事战场上，士兵的生命是无比重要的，针对此点，微型无人机最大的优势就在于无 飞行员伤亡的危险，微型无人机体积小、质量轻、隐蔽性好，在危险性比较大的侦查任务或 搜寻任务中微型无人机可以发挥其全部作用，在未来的战争中微型无人机会被广泛的应用于 战术侦查、距离检测以及对敌方导弹进行摧毁等方面[6]。 近年来，我国的航空监测任务都是通过无人机来执行的，利用无人机携带的设备进行相 关的拍摄，现阶段微型无人机主要用于测量和计算地面面积，以及数字化处理地块边界，在 执行任务时往往是结合自动相对定向原理进行拍摄，然后根据数据库进行相对应的匹配，最 终成对地面和空间数据的观测和处理。微型无人机的成本较低，并且灵活性较高，因此较为 广泛的应用于航空监测领域[4]，针对此类任务微型无人机的系统设计构架总体包括基本硬 件设备、通讯方式、数据分析，如图2所示。 微型无人机 地面站 遥控器 无线通讯 有线通讯 网络通讯 数据收集 数据管理 数据服务 数据传递 数据库 数据更新 数据云计算 硬件设备 通讯方式 数据分析 图 2 微型无人机系统总体构架 硬件设备是整个微型无人机系统的基础层面，针对所执行任务的不同所使用的产品等级 也不同，执行军事以及航空检测任务时，基础硬件设备要求较高。 通讯方式是指微型无人机、遥控器以及地面站之间进行相互通信的方式，再执行复杂任 务是，整个微型无人机系统可以通过多种通信方式进行信息的实时交互
对于侦查和检测任务而言最终都是要得到有价值的数据,构建一个可以结构合理的数据 库是非常有必要的,伴随着数据的不断增多、数据库不断壮大,可以利用云端计算来模拟出 我们想要的数据模型。 (二)微型无人机的分类 本文对已有的样机进行了充分的调研和分析,按照其结构的不同可以将微型无人机分为 固定翼微型无人机、旋翼微型无人机以及扑翼微型无人机,及其代表机型如图1所示。 早期的固定翼微型无人机是由MIT林肯实验室所研制的固定翼微型无人机,用于侦查任 务[1]:美国航宇环境公司研制的“ Black widow”固定翼微型无人机可以搭载微型摄像设 备以及全球定位系统设备;美国桑德斯公司发明的“微星”固定翼微型无人机,可从手掌上 起飞[7]。 旋翼微型无人机的特点是可以空中悬停和垂直起飞, Lutronix公司和 Aubum大学联合研 制的“ Kolibri”旋翼微型无人机可实现自主飞行和悬停;斯坦福大学研制的“ Mesicopter” 微型四旋翼无人机可以在一个竿臂上离地起飞:日本爱普生公司研制的“ Epson”原型机搭 载了微型电路和低功耗无线电模块 扑翼微型无人机是仿生学原理在无人机领域的应用,美国加州理工大学和航宇环境公司 等多方联合研制的“微型蝙蝠”是早期较为成功的电动扑翼微型无人机,该机动力由锂电池 提供;SRI公司和加拿大多伦多大学共同研制“ Mentor”扑翼微型无人机采用一种电致伸缩 聚合物驱动;英国剑桥大学等联合研制的“ Entomopter”采用往复式化学肌肉驱动[8]。 微型无人机 固定翼微型无人机 旋翼微型无人机 扑翼微型无人机 鸭式布局固 Bat”是早期 l entor dow"微型 较为成功的扑翼微型无 的“ Entom 无人机 翼微型无人|旋 翼无人机 电动扑翼 微型飞行器 微型无人机 图3微型无人机的分类 三、国内外发展现状 (一)国外发展现状 “微星”微型无人机发展计划始于1997年,是美国桑德斯公司主导开发并研制的一种新
对于侦查和检测任务而言最终都是要得到有价值的数据，构建一个可以结构合理的数据 库是非常有必要的，伴随着数据的不断增多、数据库不断壮大，可以利用云端计算来模拟出 我们想要的数据模型。 （二）微型无人机的分类 本文对已有的样机进行了充分的调研和分析，按照其结构的不同可以将微型无人机分为 固定翼微型无人机、旋翼微型无人机以及扑翼微型无人机，及其代表机型如图1所示。 早期的固定翼微型无人机是由MIT林肯实验室所研制的固定翼微型无人机，用于侦查任 务[11]；美国航宇环境公司研制的“Black Widow”固定翼微型无人机可以搭载微型摄像设 备以及全球定位系统设备；美国桑德斯公司发明的“微星”固定翼微型无人机，可从手掌上 起飞[7]。 旋翼微型无人机的特点是可以空中悬停和垂直起飞，Lutronix公司和Aubum大学联合研 制的“Kolibri”旋翼微型无人机可实现自主飞行和悬停；斯坦福大学研制的“Mesicopter” 微型四旋翼无人机可以在一个竿臂上离地起飞；日本爱普生公司研制的“Epson”原型机搭 载了微型电路和低功耗无线电模块。 扑翼微型无人机是仿生学原理在无人机领域的应用，美国加州理工大学和航宇环境公司 等多方联合研制的“微型蝙蝠”是早期较为成功的电动扑翼微型无人机，该机动力由锂电池 提供；SRI公司和加拿大多伦多大学共同研制“Mentor”扑翼微型无人机采用一种电致伸缩 聚合物驱动；英国剑桥大学等联合研制的“Entomopter”采用往复式化学肌肉驱动[8]。 微型无人机 固定翼微型无人机 旋翼微型无人机 扑翼微型无人机 鸭式布局固 定翼微型无 人机。 “Black W idow”微型 无人机 。 “M icro Star”固定 翼微型无人 机。 “Kolibri” 旋翼微型无 人机。 “M esicopter” 是微型四旋 翼无人机。 “Epson”原 型机。 “Micro Bat”是早期 较为成功的 电动扑翼 微型飞行器 “M entor” 扑翼微型无 人机 的“Entom opter” 微型无人机 图3 微型无人机的分类 三、国内外发展现状 （一）国外发展现状 “微星”微型无人机发展计划始于1997年，是美国桑德斯公司主导开发并研制的一种新
型固定翼微型无人机,如图2所示。该微型无人机的总设计质量为100g,其机身(带有固定 翼)仅重7g,内部存储处理器以及外部搭载的拍摄设备共重10g,电动机及其螺旋桨重20g 锂电池重44.5g,惯性系统以及处理器重20g,总功耗为15瓦。 图4“微星”微型无人机 “微星”微型无人机集成了纳米技术、微型航空电子技术、微型传感器技术以及先进的 动力推进技术,并在其硅片上集成了陀螺仪、三轴加速度计以及GPS定位系统模块,这些先 进的技术以及设备使它拥有良好的隐身效果。该微型无人机可以执行20-60min的常规飞行任 务,飞行距离大于5km,巡航速度可达50km/h[9] “微型蝙蝠”改型微型无人机是航宇环境公司为美国国防预先硏究计划局制造的扑翼微 型无人机,如图3所示,该扑翼微型无人机测试续航时间长达22min,翼展仅有23cm,质量轻 达14g,其动力由可充电锂电池提供。后由加州理工学院为其制造出钛合金骨架蒙以聚合物 薄膜构成的机翼以及其他轻型动力传输系统,使该扑翼微型无人机达到更加理想的飞行效果 图5“微型蝙蝠”改型微型无人机 “蜂鸟”扑翼微型无人机长仅为16cm,质量仅为10g,飞行速度可达36km/h,如图4所示, 其动力仅由两个翅膀提供,噪声远比其他微型无人飞行器小,因此该微型无人机的隐蔽性非 常好,可以为军队提供良好的侦査任务。美国航宇环境公司表示,“蜂鸟”扑翼微型无人机 将是航空科技的一个里程碑,其充分利用仿生学原理,在微型飞行器的空气动力和能量转换 效率、耐力和操控性方面做出突破,将提高在城市环境下的军事侦察能力[10]
型固定翼微型无人机，如图2所示。该微型无人机的总设计质量为100g，其机身（带有固定 翼）仅重7g，内部存储处理器以及外部搭载的拍摄设备共重10g，电动机及其螺旋桨重20g， 锂电池重44.5g，惯性系统以及处理器重20g，总功耗为15瓦。 图 4 “微星”微型无人机 “微星”微型无人机集成了纳米技术、微型航空电子技术、微型传感器技术以及先进的 动力推进技术，并在其硅片上集成了陀螺仪、三轴加速度计以及GPS定位系统模块，这些先 进的技术以及设备使它拥有良好的隐身效果。该微型无人机可以执行20-60min的常规飞行任 务，飞行距离大于5km，巡航速度可达50km/h[9]。 “微型蝙蝠”改型微型无人机是航宇环境公司为美国国防预先研究计划局制造的扑翼微 型无人机，如图3所示，该扑翼微型无人机测试续航时间长达22min，翼展仅有23cm，质量轻 达14g，其动力由可充电锂电池提供。后由加州理工学院为其制造出钛合金骨架蒙以聚合物 薄膜构成的机翼以及其他轻型动力传输系统，使该扑翼微型无人机达到更加理想的飞行效果。 图 5 “微型蝙蝠”改型微型无人机 “蜂鸟”扑翼微型无人机长仅为16cm，质量仅为10g，飞行速度可达36km/h,如图4所示， 其动力仅由两个翅膀提供，噪声远比其他微型无人飞行器小，因此该微型无人机的隐蔽性非 常好，可以为军队提供良好的侦查任务。美国航宇环境公司表示，“蜂鸟”扑翼微型无人机 将是航空科技的一个里程碑，其充分利用仿生学原理，在微型飞行器的空气动力和能量转换 效率、耐力和操控性方面做出突破，将提高在城市环境下的军事侦察能力[10]