[科普中国]-微型旋翼无人机

无人机

无人机(Unmanned Aerial Vehicle UAV)是一种不要驾驶员登机进行任何手动驾驶操作，完全在电子设备的监控下可以自动完成全部飞行过程的飞行器川，它的出现使各个国家对飞行器的研究进入了一个崭新的时代。无人机以其生存能力较强、灵活性高、机动性好、使用非常方便和人员零伤亡风险等优点在现代战争中能够发挥极其重要的作用，同时在民用和商用领域无人机也有非常广阔的应用前景。

无人机按飞行特点可以分为固定翼式、旋翼式和扑翼式无人机等种类，其中微型旋翼无人机具有体积较小、结构简单、控制比较灵活等特点，能够垂直起降、自由悬停，还能够适应各种自然环境，具备自主飞行和着陆能力等优点，可以在一些不适合人类进入的复杂和危险环境中进行作业，近年来在科研机构、政府机构、广播媒体、个人应用和军事领域都有着越来越重要的应用。具体应用有如下几个方面:对于科研机构，可以用来进行偏僻地区地质的考察、恶劣环境的评估和野生动植物生活习性的观察;对于政府机构，在交通管理中进行道路状况的实时监控，在火场指挥中进行现场火势状况的考察，在抢险救灾中进行危险情况的反馈以便组织救援;对于媒体来说，可以进行实时新闻报道和远程采访;对于个人应用，可以用来进行空中摄影和遥控飞行;在军事方面的应用非常广泛，可以用于目标侦察和监视，尤其对人员无法进入的地区和卫星扫描不到的盲区进行侦察，传回有效的图片或录像，提供实时的战场情报，同时旋翼无人机还可以具有攻击性，对目标进行火力打击，这对于创建信息化军队，充分掌握战场实时信息，减少战争人员伤亡，夺取战争主动性具有不可忽视的主导作用;微型旋翼无人机在民用和商业上同样具有广泛的应用，喷洒农药阎、配送货物等应用在当今社会发挥了越来越重要的作用。

研究现状国外研究微型旋翼无人机是微机电系统集成的产物，以其能够垂直起降、自由悬停、控制灵活和适应各种环境能力强等优点成为国内外很多实验室研究的重点。

瑞士洛桑联邦科技学院(EPFL) OS4项目实现了旋翼无人机在室内外环境下能够自主飞行和自动避障，机载电子设备主要包括惯性测量单元IMU、超声波传感器、DSP处理器、电机调速模块和嵌入式计算机等，是一个完全自主的旋翼测试平台，使用4个超声波传感器来检测前后左右四个方向上与障碍物之间的距离，1个超声波传感器用来测量无人机的飞行高度，实验结果说明OS4旋翼无人机能够有效避开各方向障碍物，实现自主飞行。洛桑联邦理工学院内部建立的senseFLY公司，发布了eBee无人机，可以自定义飞行路线，用手把它抛向空中即可飞行，飞行过程中可以进行拍照，同时利用它提供的3D软件可以方便处理照片，飞行中也可以更换飞行路线和降落点。图为eBee无人机。

美国麻省理工学院(MIT)无人机集群健康管理计划( UAV SHMP)实现了旋翼无人机的自主飞行和编队飞行，测试平台使用惯性测量传感器对无人机飞行速度、俯仰角等数据进行了测量，利用激光检测无人机的飞行环境，能够有效避开障碍，进行飞行路线的重新规划，实现了利用一台地面控制设备对多架旋翼无人机进行指令控制，并能够用于地面导航和目标追踪。在MIT校园里，四轴飞行器SkyCall可以给游客带路，飞行器带有超声波测距仪避免碰撞，当人的速度慢时，飞行器会降低速度，游客还可以通过Wi-Fi与飞行器通信，通过发送相关指令可以使飞行器悬停与恢复飞行等。1

Lutronix公司正在研制一种15厘米的垂直起降旋翼式无人机，名叫Kollibri，它是在一个垂直圆柱顶端装上旋翼，摄像机装在底部。利用舵面控制俯仰、横滚及偏航，一个压电石英驱动器移动舵面。动力装置是一台电动机或D-STAR公司正在研制的0.1马力的柴油发动机。无人机的直径10厘米，重316克，负载重量100克，微型柴油机重37克，燃料重132克，占整个无人机重量的一半以上。

国内研究随着国际上对微型旋翼无人机的研究不断深入并取得累累硕果，国内对微型旋翼无人机的研究也逐步展开，主要研究单位集中在各大高校，研究内容主要是飞行控制算法和计算机仿真。国防科技大学提出了微型旋翼无人机自主控制的关键技术，通过对旋翼无人机的动力学模型和非线性控制算法进行研究，设计了自抗扰控制器和姿态控制器，仿真验证了控制器效果;北京航空航天大学对微型旋翼无人机的非线性姿态动力学模型进行了研究，并对PID控制算法和自抗扰算法等进行了仿真实现;清华大学研发了“倾转四旋翼”无人机，能够提供10个自由度MEMS传感，可以用来控制无人机的飞行姿态;南京航空航天大学研究了无人机在悬停和低速飞行状态下的飞行姿态稳定和相关惯性导航技术在2013年国际空中机器人大赛中，清华大学THRONE代表队的无人机仅用8分钟就完成了挑战任务，对于寻找和抓取U盘任务，全球7个国家32支代表队连续4年都没能挑战成功，北美赛区也没有挑战成功者，THRONE代表队成为全球唯一的成功者，说明我国高校对无人机的自主飞行也达到了较高程度。下一步国内研究的重点是无人机完全自主飞行控制、实时自主决策、多机协同飞行和智能化等方向。1

微型旋翼无人机的系统研究微型旋翼无人机的系统研究主要是针对地面控制系统和机载测控通信系统，地面控制系统是能够对无人机的飞行姿态进行监测和指令控制，能够获得无人机的加速度、角速度、高度、磁感应强度和位置信息等数据，并对这些数据进行处理，应用相关的控制算法进行无人机姿态的调整，机载测控通信系统主要是在无人机飞行状态下对惯性传感器、超声波测距仪等进行数据采集，并把这些数据传送给地面控制系统，确保无人机实时工作状态的监测，这就需要机载平台有优良的结构设计和硬件选择。为了能够保证微型旋翼无人机工作状态信息的实时性监测和准确性操控，通信系统的良好工作状态有着不可或缺的作用，所以对通信系统的实时性和准确性的研究是非常有必要的。2