微型无人机技术的发展与应用

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1、微型无人机的发展与应用研究班级：0309103 学号：030910337 姓名：徐大生 摘要：根据国内微型外无人机的发展趋势,介绍微型无人机的现状与发展前景， 叙述各国微型无人机的发展计划,分析国内微型无人机技术和国外先进技术的差 距，讨论微型无人机在军事方面的重要作用。 关键词：无人机，现状，发展，应用一、引言：微型无人机(MAV )是指尺寸只有手掌大小(约15 cm)的飞行器。它将作为士兵 可携带的一种战场侦察设备,其潜在的作用包括空中监视、生物战剂探测、目标 识别、通信中继,它甚至能探测到大型建筑物和大型设施的内部情况,因此,为士兵 增添了“空中之眼”。 世界各国都开始竞相开发研制遥控式

2、、半自主式或自主式 的单兵可携带的微小型无人机,并逐步装备部队。微型无人机可以完成超低空侦 察、干扰、监视等各种复杂的任务。载有全天候图像传感器的微小型无人机可以 近距离对目标实施侦察监视。二、微型无人机的起源： 微型无人机的概念是在1992年提出来的,在美国兰德公司和国防高级研究计 划局(DARPA)举办了一个关于未来军事技术的研讨会,奥根斯坦主持了有关微型无 人机的讨论。会后,兰德公司对微型无人机的原理进行了研究,认为带有微小传感 器的极小的侦察机是可以实现的,可以说,兰德公司是最早提出研制微型无人机主 张的。鉴于微型传感器和微机电系统正在日趋成熟,专家们提出了 3 年内可以实 现的微型无

3、人机的主要参数,它们是:长620cm,质量10T00 g,负载118g,在 3060 km/h的巡航速度下，续航时间为2060 min,最大航程为110 km。20 世纪90 年代以来,微型无人机引起了各国的关注。它的迅速发展和大量 使用,将对未来信息化战场的军事行动产生重大影响。在短短不过十年的时间里， 已经成为作战中必不可少的重要角色。美国已将无人飞行器列为五大空中威胁平 台中最具破坏力的空中威胁之一,而且无人飞行器将对作战全过程构成威胁,在未 来的信息化战场上发挥更重要的作用。三、微型无人机的发展现状：无人机之所以深受各国喜爱在于它的有点众多，首先是隐蔽性好生命力强， 微型无人机相比有人

4、机，无论是体积、质量，还是反射面积都比后者要小得多， 再加上它独特精巧的设计以及机体表面涂敷有隐身性能极好的涂料，使得它的暴 露率几乎呈几何级数减小。与此同时，无人机还有一个极为突出的特点，即不受 人为因素(如过载因素)的制约，因而可以最大限度地飞到适合其特点的速度、高 度、航程等，也可以通过超加速升降、倒飞、急转弯飞行等方式，来增加隐蔽性 和提高生存能力。同时造价低廉不惧伤亡，起降简单操作灵活。与常规飞行器相比 ,人们对微型无人机的空气动力学机理知之甚少 ,0.076 m 以下的飞行器的空气动力学特性对人们来说还是个谜。美国是对微型无人机领域 进行研究的最早的国家,并已取得了重大成果,其所研

5、制的 MicroStar 固定翼微型 无人机已经在阿富汗战争中试用。美国加利福尼亚理工学院微机械加工实验室在 2000年研制了一个基于MEMS的微电机驱动、电池供电、质量仅约10 g左右的 扑翼微型无人机，由于微型电池动力有限，最多仅持续飞行了 18 S。美国最新研制 的扑翼微型无人机已经能够在微型无线电控制器的遥控下飞行约6min,这是目前 公开报道的、有技术细节的、可以持续飞行且飞行时间最长的扑翼微型无人机。 美国通用原子航空系统公司宣布，曾经参加过作战行动的RQ-1捕食者”无人驾驶 飞机(UAV)最近在飞行中成功地发射了一架微型无人机,这是历史上第1次飞行中 的无人机自携带并发射另一架微

6、型无人机。我国也对微型无人机展开了系统的研究,航天科技集团公司北京空气动力研 究所研制的微型无人机目前已经进入了自主飞行样机研制试验阶段。它的动力装 置为卫星活塞式发动机,具有微型电视摄像机、数据传输设备、电子干扰装置及 特种装备等机载设备，由微型陀螺、微处理芯片机、微型GPS、舵机对它进行制导 与控制。它的翼展为220600mm;最大起飞质量0.12T.5 kg;性能数据:最大平飞 速度100 km/h，巡航速度6072 km/h,巡航高度100300 m,最大航程1036 km,最 大续航时间 1030 min。四、微型无人机在军事领域的运用海湾战争阿富汗战争伊拉克战争五、微型无人机的发展

7、趋势增大航时，提高速度。高空长航时无人机以其高的生存力和高效的侦察能力 将使其应用不断得到扩大。美国先进材料、结构和航空委员会认为，未来在 2000m 以上飞行将不会受到限制。高空长航时无人机将会成为大气层侦察网络的一个重 要组成部分，因此，各军事强国注重提高无人机的航时，来提高其遂行持续作战 任务的能力。随着无人机在战场上的广泛应用，反无人机等拦截系统应运而生，各国正加 强抗击无人机的研究。而提高无人机的速度是降低反无人机等拦截武器拦截概率 的主要途径之一。因此，目前各国正在探索发展速度更快的无人机。在未来战场 上，优秀的滞空能力日益受到无人机使用者的青睐它能大幅提高无人机遂行作战 任务的准

8、确性和攻击性。隐身机体，缩小体积，提高机动能力和生存能力（降低噪声）。为提高无人 机的机动性能和战场生存能力，机体正朝着隐行化、微型化的方向发展。军研制 出一种长度和翼展都不超过15cm的微型无人机，用于特殊条件下的侦察或附在 某些物体上搜集视听信息。微型无人机由于尺寸小，质量轻，外形可以仿制成各 种昆虫，因此具有很大的隐蔽性。特别是在复杂地形和城市作战，它可以在障碍 物或建筑物之间穿梭飞行，实时获取局部战场信息。目前，该类无人机以美国麻省理工学院的微星和黑寡妇微型无人机为代表， 展现了现代科技已使“掌上飞机”的设计和制造成为现实，也证明了人们对低雷 诺数飞行器设计、微电子、微机电技术的应用，

9、弱功率信号控制与图像传输技术 以及高性能轻质结构的使用已经基本成熟。高度智能，加载武器，提高无人机攻击能力。目前，无人机大多采用操作人 员遥控的方式遂行作战行动，这样不仅对操作手的控制技能要求较高，还存在操 作手无法准确掌握战场态势的问题。无人机智能化就是“无人机作出决定的能力” 这不仅使无人机能够按照指令或者预先编制的程序来完成预定的作战任务，对已 知的威胁目标做出及时和自主的反应，还能对随时出现的突发事件做出及时地反 应。系统集成，综合传感，增强传输可靠性和通用性。未来无人机的发展正朝着 系统集成，综合传感方向发展，增强无人机的通用性。例如美军为增强无人机全 天候侦察能力，机上安装有光电红

10、外传感器和合成孔径雷达组成的综合传感器。 美军捕食者无人机安装有：观察仪和变焦彩色摄像机；激光测距机；第三代红外 传感器、能在可见光和中红外两个频段上成像的柯达 CCD 摄像机；合成孔径雷达。 使用综合传感器后，既可单独选择图像信号，也可综合使用各种传感器的情报。六、微型无人机面临的技术问题动力问题要想研制出如此小的无人机面临着许多技术及工程问题。最大的困难 是动力问题。在微型无人机的开发中，近期最大的困难是发动机系统及其 相关的空气动力学问题，而发动机又是关键，它必须在极小的体积内产生 足够的能量，并把它转变为推力，而又不增加过多的重量。不同的空气动力学原理由于尺寸小速度低，微型无人机的工作

11、环境更像是小鸟及较大昆虫的 生活环境，而人们对于这种环境中的空气动力学还知之甚少，其中的许多 问题，都难以用普通空气动力学理论加以解释。由于微型无人机只能低速 飞行，层流占主导地位，它引起较大的力及力矩，这可能要求用三维方法 解释它的空气动力学。微型无人机的机翼载荷很小，几乎不存在惯性，很 容易受到不稳定气流、如城市楼群中的阵风以及风雨的影响。飞行控制怎样控制微型无人机的飞行是另一个难点。首先要有一个飞行控制系 统来稳定微型无人机，至少增加其自然的稳定性。这样在面临湍流或突发 的阵风时可以保持其航线，并可执行操作人员的机动命令。若微型机需要 对目标成像的话，还需要稳定瞄准线。为使微型无人机自主

12、飞行，要采用 重量轻、功率低的 竺接收机，低漂移量的微型陀螺仪和加速度计，也可 以利用地理信息系统提供地形图导航。GPS可以大大提高微型机的能力，但 目前它在功率、天线尺寸、重量及处理能力等方面均存在不少问题，需要 加以解决。而且，系统还要不受电磁波及无线电频率的干扰，要求通信电 子元件的质量/功率效率极高。通信系统一旦飞到空中，微型无人机需要保持它与操作人员之间的通信联系。 由于体积重量的限制，目前只能采用微波通信方式。尽管微波可以传播大 量的数据，足够进行电视实况转播，但它却无法穿透墙壁，因而只能在视 距内使用它，微型无人机的尺寸小限制了无线电的频率及通信距离。当微 型机飞出视距或视线被挡

13、住时，就需要一个空中的通信中继站，中继站可 以是另一架飞机或者卫星。侦察传感器要想在战场上实际应用，微型无人机还需要携带各种侦察传感器，如 电视摄像机、红外、音响及生化探测器等。这些都必须是超轻重量的微型 传感器，因而部件小型化是传感器技术发展的关键。六、微小型无人机的在各国发展进程美国美国大力发展微型无人机技术，并研制出各种微型无人机平台，有固 定翼、旋翼及扑翼式3种。微型无人机的研制始于1990年代中期，第一个 飞行样机出现于1990年代末期。1996年，美国国防高级研究计划局授予 航境公司一项研制合同，进行制造微型无人机的可行性研究。该公司制造 出了“黑寡妇”固定翼微型无人机。该机为直径

14、152mm的圆盘形，采用轻木结构，螺旋桨驱动。1997年底，使用锂电池不带载荷进行了 16分钟的 飞行。另一架“黑寡妇”在1999年年中进行了重新设计，最大起飞质量60g, 最大载荷量7g，翼展15cm，续航时间22分钟，航程2km。随后，航境公 司开发出了 “蝗虫”固定翼微型无人机，翼展 33cm，总质量17g。2002年 8月，一架试验型“蝗虫”飞行时间超过了 100分钟。此外该公司还开发出 了“大黄蜂”固定翼微型无人机，动力系统采用氢燃料电池，而不是大多 数微型无人机所采用的锂电池。“大黄蜂”质量为170g，翼展38cm。2005年1月，美国霍尼韦尔公司开始了涵道风扇小型无人机的飞行试验

15、。该无 人机高56cm、宽35.5cm、质量2.2kg，样机还将交付美国陆军进一步试验。 霍尼韦尔公司在该项目的主要合作伙伴是常规无人机制造商AAI公司，该公司将制造其机身。尽管目前的动力系统采用汽油发动机，但霍尼韦尔公 司希望在2006年前研制出重质燃料型发动机。美国军事技术公司的“背包 式无人监视瞄准与增强侦察”无人机系统已经出售给美国陆军和英国国防 部用于测试和评估。以色列以色列飞机工业公司的“蚊1”式无人机的研制始于2001年，2003年 1月1日首次飞行。该机翼展30cm，质量250g，续航时间40分钟。“蚊 1.5 ”式无人机质量为首架样机的两倍，翼展34cm。“蚊1.5 ”式无人

16、机于2004年试飞成功。 二者主要区别在于“蚊1.5”式无人机可以自主飞行， 能按全球定位系统指示的航路点飞行，而“蚊1”式无人机不具备这种能力， 因为其体积太小，不能集成飞行控制系统和全球定位系统。“蚊1”式无人机只能无线电操纵，但配备飞行计算机和提供航路点后具有自主飞行能力。 自主飞行是微型无人机的关键，没有这种能力其工作能力就受限制。为了 获得飞行控制、稳定性和航路点的所有参数，以色列飞机工业公司对“蚊 1.5”式无人机进行了大约100小时的试飞。“蚊1.5”式无人机的稳定性、 质量与其性能之间也同样存在折衷选择的问题，比如进行载荷与电池质量 之间的折衷选择，使用1020g的摄像机可以提供一个小时的续航时间。 低速飞行时的可控性和机动性也是一个急待解决的问题。由于这种飞行器 的速度限制，它不能用于所有的军事行动，仅适于与其速度和摄像机要求 相适应的作战环境。以色列