微型飞行器综述

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1、微型飞行器综述摘要：本文简要介绍了国际上微型飞行器的概念的提出，及其发展现状和应用前景。关键词：微型飞行器，MAV，军事 1 、亠1前言1992 年，美国兰德公司提交美国国防高级研究计划署 (Defense Advanced Research Projects Agency，简称DARPA)的一份关于未来军事技术的研究报告首 次提出了微型飞行器(Micro Air Vehicle,简称MAV)的概念。此后，麻省理工学 院的林肯实验室和美国海军研究实验室对微型飞行器技术上的可行性进行了更 加深入的评估，得出了与兰德公司一致的结论。微型飞行器概念的提出引起了 DARPA的高度重视。1995年11月

2、，DARPA首次组织了关于微型飞行器可行性的 专题研讨会，并由此制定了一项旨在发展微型飞行器的计划；1996年3月DARPA 召开了向工业界通报情况的介绍会；同年10月DARPA召开了用户与研究单位之 间有关这一问题的讨论会，会后DARPA意识到开展微型飞行器技术研究的重要 性以及研制生产微型飞行器的现实可行性；1997年DARPA正式通过SBIR项目增 加投资，加大对微型飞行器技术的研究力度，并开始实施一项耗资3,500万美元， 为期四年的微型飞行器研究计划。美国最初的研究把MAV作为无人机(Unmaned Air Vehicle，简称UAV)中的 微小型方向，随后发现， MAV 的超微型、

3、超轻质量的要求而引起对控制器件、 系统、能源等一系列挑战性和革命性的技术问题。于是在90年代中期，MAV的 概念从UAV中完全分离出来，最终，DARPA把其基本指标定为：飞行器各向 最大尺寸不超过15厘米，质量10100克，最大航程110公里，巡航速度30 60公里/小时，连续航行时间2060分钟。DARPA除对微型飞行器的尺寸、重 量、留空时间、飞行速度提出要求外，还从实际应用角度对其特性提出相应要求。 例如：要求微型飞行器应具有自主飞行、携带任务载荷执行特定任务、通信及传 输信息等基本特征。2微型飞行器的研究现状以产生升力的方式来分类，国际上正在研究的微型飞行器总体上可分为三 类：固定翼式

4、微型飞行器、旋翼式微型飞行器和扑翼式微型飞行器。采用传统固定翼式布局的微型飞行器主要有美国AeroVironment公司的“黑 寡妇（“Black Widow”）、Sander 公司的“微星（“MicroStar”）、麻省理工学 院林肯实验室的“侦察鸟”等。“Black Widowv是AeroVironment公司按照DARPA提出的微型飞行器技术要 求而研制的一种微型飞行器。翼展15厘米的碟型“Black Widow”原型机于1996 年春完成了9秒钟的飞行。1997年11月，圆盘式“Black Widow（参见图1,左图） 在锂电池作为源动力的情况下飞行时间达到16分钟。1999年3月携带

5、黑白摄像机 的第一代“Black Widow”成功飞行了22分钟。此次飞行重量为56克，巡航速度 约40.2公里/小时。1999年夏季，AeroVironment完成了 “Black Widow”的最终设 计（参见图1,右图）。2000年8月“Black Widow试飞的巡航时间达到了30分钟， 活动半径1.8公里，最大飞行高度约234米，飞行重量为80克。Black Widowv 原机型改进后的“ Black Widowv图1改进前后的“Black Widow1998年4月，美国桑德斯公司、洛克希德马丁独立研究所和通用电器公司联 合申请，获得DARPA战术技术处签订的研制微型飞行器的技术合同

6、，重点研制 固定翼式微型飞行器。桑德斯公司在经过6个月的研究之后，提出了一种名为“MicroStar”的微型飞行器方案3。“MicroStar的预定技术参数为：翼展约15 厘米，重量大约几十克，具有自动驾驶系统和电视摄像机，采用手持式发射器发 射或直接手掷发射。图2固定翼式MAVS（自左向右，AeroVironment公司的“Black Widow，MLB的“Trochoid”，佛罗里达大学的柔性机翼微型飞行器）采用仿生扑翼式布局的微型飞行器主要有加利福尼亚理工学院的“ MicroBat”、 美国斯坦福研究中心和多伦多大学的“Mentor”、美国佐治亚理工学院的“ Entomopter等。加利

7、福尼亚理工学院的“MicroBat是一种仿生物飞行方式的扑翼微型飞行 器(参见图3),其机翼是通过模仿蝙蝠和昆虫的翅膀，并用微电子机械系统(MEMS) 技术加工制作而成。2002年8月，AeroVironment公司研制的MicroBat扑翼飞行 器演示出最长的巡航时间22分45秒。MicroBaf翼展只有23厘米，重14克。它的 电动机由可反复充电的锂电池供电。“Mentor是美国斯坦福研究中心国际公司和多伦多大学合作研究的微型扑 翼飞行器。它的最大翼展在15厘米左右，机翼由一种聚合物人造肌肉驱动。“Entomopter 是美国佐治亚理工学院(GTRI )以Robert Michelson为

8、首的研究 组研发的一种微型仿生扑翼飞行器。这种飞行器有着与蝴蝶翅膀相似的机翼，采 用特殊结构和材料制成，可上下扇动。图3扑翼式MAVS（自左向右，加利福尼亚理工学院的MicroBat, Vanderbilt的Elastodynamic Ornithoptic Robotic Insect,和UCBerkeley 的Micromechanical Flying Insect.）采用旋翼式布局的微型飞行器主要以Lutronix公司与Auburn大学合作研制 的“Kolibri、斯坦福大学的“Mesicopter等为代表“Kolibri 4是 Lutronix公司和Auburn大学联合研发的一种垂直

9、起降旋翼 式微型飞行器。该机设计飞行重量约为300克，旋翼直径10.16厘米，能携带100 克的重物，飞行时间30分钟。“Mesicopter是斯坦福大学研究小组在国家航空航天局(NASA)的支持下， 为研究微型旋翼飞行器技术而设计的。“Mesicopter是一种厘米尺寸大小的微型 直升机，它有四个螺旋桨，分别由直径3毫米，重325毫克的微电机驱动。此外，美国的旋翼和机翼杂志2005年2月号报道，霍尼韦尔公司已经 开始飞行试验直径尺寸为33厘米（13英寸）的自主式监视无人机。该飞行器使用 封装在外罩内的垂直定向螺旋桨，这种设计允许无人机使用排气穿过外罩进行起 飞和垂直着陆。该无人机使用霍尼韦尔

10、公司的MEMS电子传感器技术。它可能 作为悬停级和凝视无人机系统成为美国陆军“未来战斗系统”计划的一部分。图4旋翼式MAVS（自左向右，Lutronix公司的“Kolibri”，斯坦福大学的“Mesicopter”，霍尼韦尔航空电子系统公司的MAVS） 目前，除了美国之外还有其他许多国家都在从事微型飞行器方面的研制工 作。早在美国提出微型飞行器的概念之前，英国剑桥大学以Charles P. Ellington 为首的研究小组就已经对昆虫飞行的空气动力学进行了多年的研究。1997年 Ellingto n曾建议并寻求英国防御评估研究局（Defence Evaluation and Research

11、 Agency，简称DERA）资助，但未获得成功；与此相反，美国DARPA却对EHington 的研究表现出了兴趣。他们邀请剑桥大学动物学系的Ellington九人研究小组加盟 到GTRI以Robert Michelson任首席研究工程师的研究组中，并给予Ellington 一百 多万英镑的资助；德国的IMM公司已经研制出了一种直径1.9毫米、长度5.5毫 米、重量91毫克、最大转速达10万转/分钟的微型电机，同时利用这种微型电机 制成了一架串列式双旋翼的微型试验直升机；日本东京大学的毫米级微型飞行 机器人能在交变磁场中扇动翅膀；印度、澳大利亚等国家也都在研制不同用途的 微型飞行器。在国内，微

12、型飞行器的研制近年来也已经成为热门话题，大约有十几个单位 在从事这方面的研究工作，已先后研制出了多种型号的微型飞行器。其中，例如 上海交通大学的微型直升机（尺寸约为18.8毫米*2.5毫米*4.6毫米），但距离完全自 主飞行和满足实用化要求的目标还有相当的距离。南京航空航天大学在国内较早 开展了微型飞行器技术的研究，1998年专门建立了“微型飞行器研究中心”，组成 了一支跨学科、志同道合的精英研究队伍，开展了一系列的基础理论、试验技术和MAVS研制技术的研究。3 微型飞行器的应用前景由于微型飞行器具有体积小、重量轻、成本低的飞行平台优势，且其操纵方 便、机动灵活、噪音小、隐蔽性好，因此无论是在

13、军事领域还是在民用领域，都 具有十分广阔的应用前景。在军事领域，微型飞行器可用于敌情侦察、目标追踪、部署传感器和中继 通信等(如图5(a)。装载有传感器和摄像机的微型飞行器可用于低空和近距离的 侦察和监视，尤其是对卫星和军用侦察机触及不到的盲区或人员无法涉足的地区 进行侦察，同时实时传输侦察信息。此外，由于微型飞行器能够飞抵甚至停留在 建筑物内部进行侦察、探测和查找建筑物内部的敌方人员或恐怖分子，因此，它 在未来的城区战场和反恐军事行动中将能发挥独特的作用。(b)在生化污染现场执行探测任务的MAV在民用领域，微型飞行器可用于环境研究、人道主义排雷、自然灾害的监 视和救援等。当有化学品泄漏时，可

14、用于测量危险环境中的化学物质含量(如图 5(b)，甚至在人类登上火星前，用于分析火星大气成分。微型飞行器还可用于巡 视和监控、农业勘测、交通道路监控等，在城区监视和大型牧场等方面也具有广 阔的前景。(a)军事领域中执行侦察任务的MAV图5微型飞行器的应用4.结语本文简要介绍了微型飞行器的背景及发展现状。目前，国内的研究与国外相 比，存在较大差距。特别是要研制开发出适合中国国情的微型飞行器，既有广阔 的发展前景，又要面临极大的挑战。参考文献：1陈国栋，贾培发，刘艳.微型飞行器十年J，国外科技动态，2005(2):29-33.2 Grasmeyer, J M, and Keennon, M T,

15、Development of the Black Widow Micro Air V ehicle J, AIAA Paper No. AIAA-2001-0127, Presented at the 39th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, January, 2000.3 晓清. 美国微型飞行器计划进入飞行试验阶段. 国际航空 . 1999, 9:55-56.4 吴宇怀, 周兆英, 熊沈蜀等. 微型飞行器的研究现状及其关键技术 . 武汉科技大学学 报(自然科学版). 2000, 23 (2):170-174.5 Micro Air Vehicles. Themed Studies TS6. March, 1999.6 R.S. Fearing. Toward micro mechanical flyers. The Bridge. 2001, 31(4):4-8.7 DARPA Selects Micro Air Vehicle Contractor N. News Release, December 12, 1997.