唐興中 冷俊杰 李治權(quán) 孫薇

摘要：微型無人直升機(jī)具有外形尺寸小、重量輕、易于操作、便于攜帶、隱蔽性好等特點(diǎn)，適于執(zhí)行單兵偵察監(jiān)視、特種作戰(zhàn)、通信中繼、高危區(qū)域探測識別、群體投放等任務(wù)。本文對國內(nèi)外微型無人直升機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行研究，提出未來發(fā)展微型無人直升機(jī)亟待解決的部件微小型化及系統(tǒng)集成技術(shù)、低雷諾數(shù)空氣動力分析、微小型動力裝置和能源技術(shù)、飛行控制與自主導(dǎo)航技術(shù)、光電傳感與圖像傳輸技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，并對未來微型無人直升機(jī)在軍民用領(lǐng)域發(fā)展和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：微型飛行器；微型無人直升機(jī)；微機(jī)電系統(tǒng)；多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)

中圖分類號：V279+.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.01.007

微型飛行器（MAV）的概念是在20世紀(jì)90年代初美國蘭德公司向美國國防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）提交的一份關(guān)于未來軍事技術(shù)的報(bào)告中首次提出的[1]。經(jīng)過多次評估和研討，1997年，DARPA正式批準(zhǔn)微型飛行器研究計(jì)劃。隨著微型飛行器研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)微型飛行器并不是常規(guī)無人機(jī)的微小型化。微型飛行器超小尺寸、超輕質(zhì)量的要求帶來總體布局、控制系統(tǒng)、動力和能源裝置等一系列革命性的技術(shù)難題。參考DARPA的指標(biāo)，微型飛行器一般是指各向尺寸不超過150mm、重量（質(zhì)量）不超過100g、續(xù)航時(shí)間20～60min、巡航速度30～60km/h、平臺承載重量不大于18g、最大飛行距離1～10km，具有攜帶任務(wù)載荷執(zhí)行特定任務(wù)、能自主飛行的基本特征。

國際上通常按照飛行方式和總體結(jié)構(gòu)布局特點(diǎn)把微型飛行器劃分為固定翼、旋翼、撲翼飛行器三大類[2]。微型無人直升機(jī)屬于MAV家族中的旋翼類，因其具有體積小、可懸停、機(jī)動性好、方便攜帶、操作簡單等特點(diǎn)，特別適合執(zhí)行近距、復(fù)雜環(huán)境下偵察監(jiān)視、探測識別、通信中繼、定向清除等任務(wù)。

開展微型無人直升機(jī)研究，突破各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可以帶動相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，有助于快速推出適合軍民用市場的產(chǎn)品[3]。

1發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)90年代，世界上很多國家科研機(jī)構(gòu)開展了對微型無人直升機(jī)的探索和研究。隨著微處理器的出現(xiàn)并且功能的逐步強(qiáng)大，導(dǎo)航和傳感信息處理設(shè)備的能力大大增強(qiáng)，特別是1995年麻省林肯實(shí)驗(yàn)室利用計(jì)算機(jī)芯片技術(shù)研制成功了微型電視攝像機(jī)之后，微型飛行器很快發(fā)展起來。雖然很多項(xiàng)目由于資金、動力裝置、微電子器件等因素沒有成功，或者停留在實(shí)驗(yàn)室階段，但為以后微型無人直升機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。典型的微型無人直升機(jī)有美國Kolibri和Mesicopter[3]。

Kolibri是Lutronix公司與Auburn大學(xué)合作研制的垂直起降微型無人機(jī)（見圖1），可采用單旋翼或者對轉(zhuǎn)雙旋翼?；境叽鐬橹睆?0cm，總重約316g，有效載荷大約100g。采用D-STAR公司研制的微型柴油發(fā)動機(jī)重37g，輸出功率35W，加注132g的燃油一般可飛行30min。

Mesicopter是美國斯坦福大學(xué)研制的四旋翼微型無人直升機(jī)（見圖1）。機(jī)身為16mm×16mm的方形框架，其最大尺寸不大于5cm，總質(zhì)量小于15g。4副旋翼是固定槳距，分別由4個(gè)直徑3mm、重325mg的微電機(jī)來驅(qū)動，利用改變電機(jī)的力矩實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航等飛行姿態(tài)變化。每副旋翼共三片槳葉，直徑為15mm，厚度僅0.08mm。

目前公開的資料顯示，2009年挪威Prox Dynamics AS公司研制的“黑黃蜂”PD-100系列（見圖2）是發(fā)展比較完善并且真正投入戰(zhàn)場使用的微型無人直升機(jī)，后來挪威Prox Dynamics AS公司被美國Flir公司收購[3-4]。“黑黃蜂”微型無人直升機(jī)長度16cm，重量18g左右，可以持續(xù)飛行25min，最快速度可達(dá)10m/s，航程為3.2km，靜聲設(shè)計(jì)使得它不容易被發(fā)現(xiàn)[4]。

國內(nèi)對于微型無人直升機(jī)的研究從2000年開始，各高等院校、研究所、企業(yè)紛紛開展了微型無人直升機(jī)相關(guān)研究工作。清華大學(xué)在2011年研制微型四旋翼飛行器（見圖3），并成功實(shí)現(xiàn)首飛。上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)了一款微型無人直升機(jī)，對研究低雷諾數(shù)下的相關(guān)空氣動力學(xué)提供了很好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。南京航空航天大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)提出了多種微型無人直升機(jī)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了試飛。航空工業(yè)直升機(jī)所也開展了相關(guān)的工作。最近幾年，市場上出現(xiàn)了許多消費(fèi)級的微小型直升機(jī)，滿足了愛好者的高空攝像、娛樂等需求。大疆公司目前推出的最小多軸旋翼無人機(jī)御MAVIC MINI（見圖4），起飛重量249g，槳葉展開后尺寸為245mm×290mm×55mm，最大飛行時(shí)間30min。由此看出，我國在微型無人直升機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、識別系統(tǒng)、通信傳送系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、智能系統(tǒng)、飛行仿真、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣動外形設(shè)計(jì)等領(lǐng)域獲得了突出成果，解決了微型無人直升機(jī)在設(shè)計(jì)、制造、使用中所面臨或?qū)⒁媾R的很多問題，對填補(bǔ)國內(nèi)微型無人直升機(jī)技術(shù)空白起到了一定的作用。

2關(guān)鍵技術(shù)

微型無人直升機(jī)并不是常規(guī)構(gòu)型直升機(jī)的小型化，尺寸的縮小帶來了許多新的技術(shù)挑戰(zhàn)。微型無人直升機(jī)的研制涉及總體、氣動、飛控、電池、材料、通信等諸多學(xué)科，需要攻克總體設(shè)計(jì)和氣動合理布局、動力裝置及能源等部件微小化、飛行控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎T多難題，這也成為制約微型無人直升機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)[1，3-4]，主要有以下幾個(gè)方面。

2.1部件微小型化及系統(tǒng)集成技術(shù)

微型無人直升機(jī)超小的結(jié)構(gòu)空間決定它必然是一個(gè)高度集成的復(fù)雜系統(tǒng)。由于微型飛行器總重不到100g，根本無法單獨(dú)使用傳統(tǒng)的機(jī)械裝置或電機(jī)、電池，需要把微型機(jī)構(gòu)、傳感器、執(zhí)行器、信號處理電路及電源等許多系統(tǒng)整合為一體[5]。各種微小型器件和功能模塊高度集成必然會存在各種耦合、散熱以及其他相互干擾因素。近年來，借助微納米科技、MEMS技術(shù)以及結(jié)構(gòu)能源一體化設(shè)計(jì)等技術(shù)的發(fā)展，微型無人直升機(jī)部件和機(jī)載元件的微小型化、系統(tǒng)集成已取得一些進(jìn)展，但微納米科技、MEMS微小化、跨學(xué)科、高度集成特性等所帶來的復(fù)雜性始終制約著微型無人直升機(jī)的發(fā)展。

2.2低雷諾數(shù)空氣動力學(xué)分析技術(shù)

相比于常規(guī)大型飛行器，微型無人直升機(jī)在整個(gè)飛行包線內(nèi)雷諾數(shù)都很小，通常在幾千到幾萬左右，黏性效應(yīng)顯著，空氣動力學(xué)特性有較大不同，空氣動力特性很難模擬。低雷諾數(shù)下流場的高黏性特性、邊界層厚度的增加及產(chǎn)生大范圍分離流的可能性，使得以高雷諾數(shù)試驗(yàn)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)工具以及基本的設(shè)計(jì)規(guī)則已不再適用。

自20世紀(jì)90年代，針對微型無人直升機(jī)低雷諾數(shù)流動特點(diǎn)，在低雷諾數(shù)計(jì)算分析和試驗(yàn)驗(yàn)證方法上開展了持續(xù)而深入的研究。近幾年，已有部分在低雷諾數(shù)下提升微型無人直升機(jī)升阻比的研究取得初步進(jìn)展，如優(yōu)化氣動外形和機(jī)翼形狀，利用非定常外部激勵(lì)效應(yīng)（如擾流片、吹吸氣、動壁效應(yīng)等），但針對低雷諾數(shù)非定常流的研究仍面臨很大的挑戰(zhàn)。

2.3微小型動力裝置和能源技術(shù)

微型動力裝置和能源技術(shù)是影響微型無人直升機(jī)性能優(yōu)劣的重要因素。動力和能源系統(tǒng)必須體積小、質(zhì)量輕、能量和功率密度高，保證足夠的飛行速度和續(xù)航時(shí)間；振動小，保證偵察、采集等任務(wù)設(shè)備正常工作；噪聲小，以保證飛行器的隱蔽性。目前動力和能源系統(tǒng)尺寸和重量較大、效率較低是限制微型無人直升機(jī)尺寸和重量難以縮減、性能難以提升的重要方面。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，微型無人直升機(jī)動力和能源系統(tǒng)占總重量50%以上。如果微型無人直升機(jī)起飛重量在100g以下，導(dǎo)航系統(tǒng)、電視/紅外攝像機(jī)、傳感器等有效載荷目前約在30g，那么機(jī)體和動力裝置就只能有70g[6]。目前微型渦輪發(fā)動機(jī)、微型燃料/化學(xué)電池、微型太陽能等是微型無人直升機(jī)可以選擇的動力源?？紤]到微型無人直升機(jī)垂直起降、低噪聲、隱蔽性好、操作簡單等要求，還要兼顧技術(shù)相對成熟、成本可接受，采用電推進(jìn)系統(tǒng)作為動力裝置和能源是十分有前途的。近年來，電機(jī)、電池、電控技術(shù)均有了長足的進(jìn)步。電機(jī)尺寸已經(jīng)非常微型化，電池種類有很多，如鋰電池、空氣電池、石墨烯電池等。由于微型無人直升機(jī)具有尺寸非常小、一般需要隨身攜帶、需要快速反復(fù)充電等特點(diǎn)，要求電池能量密度高、功率轉(zhuǎn)化率高、安全性好等[7]。目前鋰電池是可行的選擇，其理論能量密度大于300W？h/kg，安全因數(shù)與能量密度負(fù)相關(guān)，壽命范圍為500～2000次充放電。未來如何減少推進(jìn)系統(tǒng)的自重和提高推進(jìn)系統(tǒng)的效率是決定微型無人直升機(jī)是否成功的關(guān)鍵技術(shù)之一[8]。

2.4飛行控制與自主導(dǎo)航技術(shù)

對于微型無人直升機(jī)，常規(guī)的直升機(jī)飛行控制技術(shù)不再適用。微型無人直升機(jī)常常工作在樹林、城鎮(zhèn)等地方，需要在操縱者的視線之外飛行，并且經(jīng)常會遇到側(cè)風(fēng)、障礙、攻擊等各種突發(fā)情況，對內(nèi)部導(dǎo)航系統(tǒng)會造成誤導(dǎo)，使微型無人直升機(jī)偏航或墜毀。因此微型無人直升機(jī)飛控系統(tǒng)的研制不僅非常復(fù)雜，涉及立體視覺、自主任務(wù)規(guī)劃、自主避障等諸多技術(shù)，而且要求體積和重量要盡量小，以滿足飛行性能要求[9]。由于微型無人直升機(jī)對象特性差異顯著、模型階次高且建模難度大、非線性特性強(qiáng)、飛行模態(tài)數(shù)量多、高階動力學(xué)特性對操縱品質(zhì)影響大等，微型無人直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一直是亟待解決的關(guān)鍵問題之一[10-11]。

2.5光電傳感與圖像傳輸技術(shù)

微型無人直升機(jī)最常用的功能是作為偵察監(jiān)測工具，首要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)圖像信息的獲取與無線傳輸。微型無人直升機(jī)體積小、有效載荷輕，嚴(yán)重限制了光電傳感、圖像傳輸功能模塊和任務(wù)載荷的體積和重量，使得傳輸質(zhì)量、距離和速度都會受到影響。如果在遠(yuǎn)距離或敵人干擾的情況下不能實(shí)施通信或不能可靠地工作，信息無法發(fā)給操作人員，這種飛行器就失去其優(yōu)勢。微型無人直升機(jī)飛行狀態(tài)多變，帶來圖像信號質(zhì)量極不穩(wěn)定、圖像數(shù)據(jù)量太大、占用帶寬甚寬、復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境存在強(qiáng)電磁干擾等一系列問題[12]。因此加強(qiáng)數(shù)字信號傳輸?shù)母邔?shí)時(shí)性圖像壓縮編碼算法、復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的糾錯(cuò)編碼技術(shù)、目標(biāo)圖像穩(wěn)像技術(shù)、提高圖像實(shí)時(shí)傳輸能力等方面研究是未來微型無人直升機(jī)滿足未來信息戰(zhàn)需要迫切解決的關(guān)鍵。

3應(yīng)用前景及發(fā)展趨勢

未來微型無人直升機(jī)將在軍事和民用領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，或?qū)⒏淖兾磥響?zhàn)爭及人類生活方式。縱觀微型無人直升機(jī)的研究現(xiàn)狀和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，可以預(yù)見微型無人直升機(jī)未來的研究將朝著模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、集群化、智能化等方向發(fā)展[13]。

3.1應(yīng)用前景

目前在公開的報(bào)道中微型無人直升機(jī)主要應(yīng)用于軍事用途，深受部隊(duì)的喜愛。據(jù)報(bào)道，“黑黃蜂”無人機(jī)最早投入戰(zhàn)場是在阿富汗，除美國以外，英國、澳大利亞等國家軍隊(duì)都有采購。2020年7月19日，網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)一張敘利亞士兵手持一架捕獲的“黑黃蜂”3型微型無人直升機(jī)的照片，證實(shí)美軍的確已經(jīng)將微型無人直升機(jī)用于戰(zhàn)場。目前微型無人直升機(jī)并沒有像人們期望的那樣得到廣泛應(yīng)用，主要影響因素是設(shè)計(jì)、制造成本比較高。微型無人直升機(jī)研發(fā)過程中需要的包括結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、元器件等都需要特殊定制，成本很難降下來。據(jù)媒體報(bào)道，PD-100微型無人直升機(jī)重量只有18g，售價(jià)卻高達(dá)19萬美元，折合人民幣130多萬元，不得不說擁有堪比黃金的價(jià)值。相信未來隨著技術(shù)進(jìn)步，諸多難題將逐步解決，微型無人直升機(jī)一定會發(fā)揮其獨(dú)特功能，大有用武之地。

微型無人直升機(jī)最大的作用是解決“最后1km”。微型無人直升機(jī)具有體積小、機(jī)動靈活、可懸停、無起降場地要求、隱蔽性好、成本低、攜帶方便、可重復(fù)使用等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以在狹窄、復(fù)雜空間區(qū)域靠近目標(biāo)，并保持懸停，通過全天候圖像傳感器發(fā)送高清晰圖像等目標(biāo)特征信息，特別適合在衛(wèi)星、偵察機(jī)和人員無法監(jiān)控的地區(qū)或高污染、高輻射等危險(xiǎn)區(qū)域執(zhí)行偵察和監(jiān)視任務(wù)，完成其他無人飛行器無法執(zhí)行的任務(wù)，應(yīng)用前景十分廣泛[14]。

在執(zhí)行軍事任務(wù)中，微型無人直升機(jī)可以提供探測、干擾、抑制及摧毀能力，雖然它的有效載荷有限，但操控性、隱蔽性好，可以飛抵?jǐn)撤饺藛T、雷達(dá)、通信設(shè)備、武器系統(tǒng)、防御設(shè)施等很近的區(qū)域或位置實(shí)施探測、監(jiān)視和干擾，如果攜帶微型高效能的炸彈，甚至計(jì)算機(jī)病毒、生化藥劑、電子干擾設(shè)備等，可以對敵方人員、設(shè)備、武器系統(tǒng)等目標(biāo)實(shí)施近距離突然襲擊，造成致命或非致命毀傷。如果發(fā)動群體攻擊，其有效性會大大增加[15]。微型無人直升機(jī)融入其他有人平臺或無人系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)，可以擔(dān)負(fù)目標(biāo)偵察、識別與打擊、實(shí)時(shí)損傷評估、通信中繼等任務(wù)，大幅提升有人平臺在反介入和區(qū)域拒止環(huán)境中的生存能力。例如，“黑黃蜂”微型無人直升機(jī)的地面控制系統(tǒng)，由一個(gè)帶手動控制器和顯示單元的基站和兩個(gè)飛行器組成。每個(gè)飛行器配備兩個(gè)日間攝像機(jī)和一個(gè)熱成像儀。使用者借助小型顯示屏和單手操作控制器的幫助下，操控飛行器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、錄像以及懸停拍攝等功能，即使在夜間也可以清楚地為小型作戰(zhàn)單位提供額外的態(tài)勢感知情報(bào)，而不必曝露作戰(zhàn)人員的位置或讓其直接面臨危險(xiǎn)。

此外，微型無人直升機(jī)可以廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測研究、自然災(zāi)害救援、邊境安檢巡邏、消防滅火等諸多民用領(lǐng)域，還能夠攜帶特殊設(shè)備對遭受核、生化武器襲擊或者危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏污染區(qū)域進(jìn)行探測和識別[16]。

3.2發(fā)展趨勢

（1）模塊化

隨著低雷諾數(shù)氣動機(jī)理研究、低功耗元器件、高能量密度電池等技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，微型無人直升機(jī)集成化程度會越來越高，重量和體積會越來越小。與此同時(shí)，集成化程度越高，也會帶來故障診斷和檢修的困難，使得微型無人機(jī)的運(yùn)行和維護(hù)成本極高。采用模塊化的設(shè)計(jì)思想和通用、開放式的設(shè)計(jì)理念，微型無人直升機(jī)可以根據(jù)需求組裝不同任務(wù)模塊，實(shí)現(xiàn)功能模塊“即插即用”，快速更換受損模塊，甚至可以在不同軍種、武器系統(tǒng)、使用場景間實(shí)現(xiàn)兼容操作，不僅可以使應(yīng)用場景針對性更強(qiáng)、出動速度更快、可維修性更高，而且有助于顯著降低成本[17]。

（2）集群化

“蜂群”式的協(xié)同攻擊作戰(zhàn)可以帶來指數(shù)級力量倍增效應(yīng)。集群協(xié)同作戰(zhàn)的前提就是信息共享，對未來數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展提出了極高的要求，需要極高的數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬，以便“蜂眼”能夠?qū)崟r(shí)將所見共享至整個(gè)“蜂群”。數(shù)量龐大、低成本的微型無人直升機(jī)隊(duì)可以從不同方向蜂擁而至使得目標(biāo)應(yīng)接不暇，或者發(fā)出虛假目標(biāo)特征信號，使得敵方防御網(wǎng)絡(luò)徹底失效，同時(shí)對諸如雷達(dá)、通信、防空武器等敵方重點(diǎn)武器裝備進(jìn)行“點(diǎn)穴”式失能毀傷，為己方后續(xù)進(jìn)行大型武器裝備攻擊提供窗口。

（3）智能化

目前，微型無人直升機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在與操縱員聯(lián)系被切斷的情況下完成自主返航、自主降落等功能。未來，隨人工智能、5G、微電子、納米技術(shù)等技術(shù)進(jìn)步，微型無人直升機(jī)智能化、自主化、自動化程度必將大大提高，能夠自主完成飛行、目標(biāo)搜索、識別和跟蹤、打擊決策等工作，成為在戰(zhàn)場上能力越來越強(qiáng)、越來越受到重視的先進(jìn)武器裝備。

4結(jié)束語

微型無人直升機(jī)是多學(xué)科交叉的復(fù)雜系統(tǒng)，涉及航空、微電子、材料等多個(gè)領(lǐng)域，在軍、民用領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。從當(dāng)前的研究現(xiàn)狀來看，微型無人直升機(jī)的相關(guān)技術(shù)研究還遠(yuǎn)未成熟，很多關(guān)鍵技術(shù)問題仍亟待解決，在實(shí)際應(yīng)用中也還遠(yuǎn)沒有挖掘出其真正潛力。未來隨著微型無人直升機(jī)技術(shù)的不斷成熟，各國研究機(jī)構(gòu)必然會加大對微型無人直升機(jī)的研究和開發(fā)[18]。因此，無論是從使用價(jià)值方面，還是從推動技術(shù)發(fā)展方面考慮，我們都要緊跟技術(shù)發(fā)展前沿，大力推動微型無人直升機(jī)技術(shù)和應(yīng)用研究向前跨越和發(fā)展。

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（責(zé)任編輯王為）

作者簡介

唐興中（1973-）男，碩士，研究員級高級工程師。主要研究方向：直升機(jī)總體。

Tel：13366107209E-mail：txz0305@163.com

Research on the Development Trend of Micro Unmanned Helicopter

Tang Xingzhong*，Leng Junjie，Li Zhiquan，Sun Wei Chinese Aeronautical Establishment，Beijing 100029，China

Abstract： Micro unmanned helicopter has the characteristics of small size， light weight， easy to operate， easy to carry and good concealment. It is suitable for individual reconnaissance and surveillance， special operations， communication relay， high-risk area detection and identification， group launch and other tasks. In this paper， through the research on the development status of micro unmanned helicopter at home and abroad， the key technologies such as microminiaturization and system integration technology， low Reynolds number aerodynamic analysis， micro power plant and energy technology， flight control and autonomous navigation technology， photoelectric sensor and image transmission technology， etc.， are studied and put forward. The development and application prospect of micro unmanned helicopter in the field of military and civil use are prospected.

Key Words： micro air vehicle； micro unmanned helicopter； micro electromechanical system； multidisciplinary design optimization