微型无人飞机.

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1、微型飞行器技术 微型无人机（MAVs）的定义 MAV的尺寸15cm，现有技术水平只能达到20-40cm左右； MAV可以实现超视距飞行； MAV可以完成侦察、危险品取样等任务； 一、军事需求分析 u其尺寸很小，携带方便，可以装备到班排级侦察部 队； u作为微型装备，微型飞行器可以延伸侦察部队的“ 五官”，迅速获取信息，可执行各类特种任务； u微型飞行器可以作为微型攻击武器使用。 u研制和生产成本低廉，周期快，有利于大批量生产 和快速形成战斗力； u还可以应用在现有的无人机、战斗机、常规飞行器 、制导武器和航天器等领域，改善现有武器装备， 增加装备的功能，加强战斗力和可靠性等 微型飞行器关键技术

2、 飞 行 器 主 要 技 术 指 标 气 动 布 局 设 计 低 雷 诺 数 空 气 动 力 学 部 件 微 型 化 微 型 动 力 源 空 气 动 力 学 微 型 内 燃 机 推 进 系 统 微 型 电 机 推 进 系 统 姿 态 稳 定 传 感 器 微 型 摄 像 系 统 航 向 保 持 传 感 器 遥 测 数 据 传 送 器 上 下 行 数 据 电 台 地 面 站 综 合 信 息 显 示 微 型 测 控 组 合 概 念 微 型 测 控 组 合 构 成 数 据 传 送 器 电 源 微 型 测 控 组 合 集 成 飞 行 控 制 系 统 数 据 通 信 系 统 二、MAVs的关键技术修改次序

3、、动力最后， 轻型结构下移 超轻型机体结构 MAVs的关键技术基础 微机电技术 （MEMS技术） 与MEMS相结合 的减阻、增稳技术 先进结构设计技术 高效推进系统低雷诺数 空气动力学 先进控制导航技术 MAV的一体化设计技术 1. 国外MAVs的种类 固定翼飞机旋翼机扑翼机 三、国外研究情况 AeroVironment公司 Black WidowBlack Widow微型飞机微型飞机 Sanders公司 “微星微星”（MicroStarMicroStar）微型飞机微型飞机 2. 国外固定翼微型飞机发展状况 Black Widow 中的MEMS器件 Black Widow 的器件参数表 “侦察

4、鸟”鸭式微型飞行器 昼间摄型摄像机可从昼间摄型摄像机可从 100100米处分辨出米处分辨出7 7厘米厘米 大小的物体，大小的物体， 昼夜型摄像机可从昼夜型摄像机可从100100 米处分辨出米处分辨出1313厘米大厘米大 小的物体。小的物体。 麻省理工学院林肯实验室 NRL美国海军研究实验室 Florida大学 固定翼微型飞行器，翼展固定翼微型飞行器，翼展13cm13cm 。 Notre Dame大学 加州理工学院“微蝙蝠”扑翼式微型飞行器 3. 国外旋翼和扑翼微型飞机发展状况 重量仅0.4克，钛合金骨架 厚度仅250微米； 机翼骨架采用钛合金制造， 薄膜采用聚对二甲苯制造 GIT佐治亚理工学院

5、Vanderbilt大学 “Bug”Bug”微型机器昆微型机器昆 虫虫 微星 u微星的设计重量是100克，总电功耗是15瓦。它 的机身重为7克，处理/存储电子组件重量6克，照相 机/镜头总重4克。 “微星”的组成及机载电子 设备的功耗和重量 名称功耗/重量名称功耗/重量 电动机+螺旋桨7W/13.5g微处理器+内存0.6W/2.5g 数据传输系统+天线2W/6.5g照相机+镜头0.35W/4g 机身7g导航+定位装置0.16W/5g 电池13W/44.5g舵机0.2W/2g 四、 微机电(MEMS)技术在MAVs中的应用 国外MAVs的的关键基础技术 MEMS机翼和机体， 如灵巧蒙皮、MEMS

6、 附面层控制系统 基于MEMS的控制 导航系统，如微型 自动驾驶仪 仿生在MAVs 中的应用 Flourida大学基于MEMS技术的附面层控制系统 在机翼上表面设置基于MEMS的附面层控制系统，可控制附面层气 流的转唳和分离，能降低阻力、提高飞机抗风能力； 加装MEMS智能蒙皮可实现可控的气动弹性剪裁，从而进一步提高飞 行性能，尤其是在突风环境下的抗风能力 MEMS气泡用于改善飞机动力学特性（F16） 麻省理工大学（MIT）基于MEMS技术的 微型喷气式发动机原理 推力=11g 涡轮前温度=1600 K 小时耗油率=16g/hr 发动机转速=1.2x106RPM 发动机重量=1g 尾喷管排气温

7、度=970C 五 、基本概念1 低雷诺数空气动力学 雷诺数是流体惯性力与粘性力大小的对比，雷诺数大时， 惯性力为流体的主要表现，雷诺数小时，粘性力为流体 的主要表现 低雷诺数下的机翼阻力很大，而最大升力系数很小，飞机 飞行性能很差 当雷诺数小于等于105时，可认为是低雷诺数范围，此时 流体的粘性力作用非常明显 低雷诺数下的理论计算目前尚有不完善之处，例如湍流的 计算，而风洞实验也变得十分困难，属于特种试验的范畴 为了克服低雷诺数带来的种种弊端，必须研究低雷诺数下 的附面层控制技术、湍流理论等 2. 高效动力源 名称 电压 （V/节） 容量 mAh 尺寸 (mm3) 机载 应用 重量( 克) 生

8、产 单位 锂离子电池 （图1） 7.2170065x35x20控制125 手机电池 （图2） 3.695053x38x8通信31 佳尼 斯 锂离子电池 （图3） 3.6400 动力14.5日本 锂离子电池 （图4） 7.2 (2节合一) 40048x32x8 控制 通信 15.418所 包括发动机、电动机和电池，电动机和电池正在国内协作。 江门 MIT基于MEMS技术的微型喷气式发动机 推力=11g 涡轮前温度=1600 K 小时耗油率=16g/hr 发动机转速=1.2x106RPM 发动机重量=1g 尾喷管排气温度=970C 3. 新概念微型飞行器的研究 新型机翼的研制 仿生学在微型飞行器中

9、的应用 研究仿生蒙皮、智能致动器和扑翼飞行器等在MAVS中 的应用，有望改善MAVS的气动效率。 研究新型机翼，提高飞机升 阻比、增大飞机有效载荷，实现 MAV超低速、大攻角飞行。可以 通过控制，设法取代副翼等操纵 面，实现滚转、转弯等机动和实 现其他非常规机动飞行。 国内研究进展 u国内微型飞行器的研究比国外晚23年，清华大 学、上海交通大学、南京航空航天大学等单位也 开展了对微型飞行器的研究，取得初步成果； u作为微型飞行器的支撑技术，国内微型机电系统 的发展，如微加速度计和陀螺，为微型飞行器的 发展提供了基本元器件； u清华大学正研制150、380和750mm三类MAVs，已 经实现图象

10、控制飞行、用MEMS传感器稳定控制飞 行器的程序飞行、正在研究自主飞行等。 国内研究进展已经取得的成果 u国内清华大学、南京航空航天大学、上海交通大学、 西北工业大学等单位也开展了对微型飞行器的研究， 取得初步成果； u国内微型飞行器的研究比国外晚23年，有望和国外 保持同步水平； u作为微型飞行器的支撑技术，国内微型机电系统的发 展也接近世界先进水平，为微型飞行器的发展提供了 有力的支持； u国内MAVS已经实现实时图象传输。 国内多数关于小飞机的报道仍是航模式的视距内遥控 ，性能不佳，不能执行特定任务，离实用化有很大距离 ，还不能算真正的MAVs。 目前存在的主要问题 未充分应用MEMS技

11、术, 以进行飞行控制、提 高飞机性能、降低 设备重量 未深入进行低雷诺数空气 动力研究，有待发掘飞机 性能的潜力 未研制基于MEMS的图象 传输、遥测遥控、导航和 发射回收等子系统 我国MAVs的研究成果（一） - 研制了10余架MAVs样机 具有国内同类MAVs中 最小的外形尺寸，直 径20cm，重量60g； 采用性能优化后 的高效螺旋桨； 飞行时间11分钟, 航程7公里，翼展 300mm，重量150g 采用优化设计 的机翼翼型， 提高了飞机的 飞行性能 开展了电动机为动 力的MAVs的研制，航 程2400m，起飞重量 154g，翼展380mm 清华大学微型飞行器样机一览表 TF200TF2

12、00TF280TF300TF350TF380CTF380BTF380A型号 电动电动活塞发动机活塞发动机电动活塞发动机电动电动推进动力 120 g 350 mm 外形 试飞时间 有效载荷 飞行距离 飞行速度 飞行时间 总重量 翼展 2000.4.19 180 m 5-8 m/s 0.5 min 140 g 380 mm 2000.4.28 2400 m 6-10 m/s 5 min 154 g 380 mm 2000.6.30 50g 4000 m 8-15 m/s 5 min 198 g 380 mm 2000.9.62000.11.20 180 m7500 m 8-10 m/s10-20

13、m/s 0.5 min10 min 60 g60 g91 g150 g 200 mm200 mm280 mm300 mm 清华大学MAVs的研究成果 利用MEMS器件实现MAVs的示教再现和机载计算机控制飞 行,实验了超视距飞行; 我国MAVs的研究成果（二） - 计算机控制飞行 实际拍摄图像实际拍摄图像 处理前后图像处理前后图像 MEMS方位水平仪，重量18g， 可以测量三维姿态。 我国MAVs的研究成果（三） -基于MEMS技术的机载设备 微型高度计重7g 微型GPS接收机重8g u可将2公里内运动图象实时传回地面； u总重量14g。 射频发射机摄像头 我国MAVs的研究成果（四） -图象

14、射频发射机和微型摄像头 飞行模拟摇摆台 u最小的计算机控制飞行拟摆台； u可按照实验要求提供飞机的航向角 、俯仰角、滚转角及飞行扰动参数， 以便设计和调整飞控系统参数； u可作为机载传感器的测试设备。 我国MAVs的研究成果（五） -地面测试设备 拉力综合测试仪 u能准确地测量出螺旋桨的转速和地面 静拉力； u优选微型飞行器螺旋桨和动力电动机 ； u 可以完成多种参数的动态测试。 课题研究内容 1.微型飞行器相关空气动力学及抗风飞行策 略基础研究； 2.微型飞行器自主飞行相关技术基础研究； 3.机载摄象及图象信息应用和图象导航技术 基础研究； 4.微型飞行器制造及测试技术基础研究； 5.创新原

15、理仿生微型飞行器技术基础研究。 研究目标 在低雷诺数飞行器设计方面取得理论突破，提出合理可行的 抗风飞行设计策略； 在功能复用技术、多传感器数据融合和多系统交联等领域取 得技术突破，实现自主飞行控制系统； 机载微型摄象及图象处理和传输系统：可实时传输图象，可 提取飞行器高度、速度等信息，识别地面目标物； 灵巧舵面实现微型飞行器稳定操纵，操作灵敏性优于常规舵 面； 创新原理微型飞行器：翼展1050厘米以内，起飞重量30 60克以内，可稳定滞空并可遥控飞行； 研制微小型测试系统、动力测试系统和翼型几何参数测试系 统。 预期研究成果 1. MAVs理论和技术研究报告； 2. 创新微型飞行器、机载控制系统、 微小型测试系统等原理样机； 3. 在微型飞行器上应用的摄象、通讯 、自主飞行控制系统成果。 今后研究发展方向 进行低雷诺数空气动力学基础 研究，为优化机翼几何参数提 供理论基础 设计基于MEMS技术的附面层 控制器，开展MEMS智能蒙皮气 动弹性剪裁研究 1. 开展基于MEMS的微型飞行器理论基础研究 2. 实现微型无人机的视距外飞行 方案1：研制基于MEMS技术的遥控、遥测和通信系统， 实现基于遥控遥测的仪表飞行，使MAVs实用化 今后研究发展方向 MAV的实用化方案 2. 实现微型无人机的视