微型旋翼無人機

微型旋翼無人機是微機電系統集成的產物，以其能夠垂直起降、自由懸停、控制靈活和適應各種環境能力強等優點成為國內外很多實驗室研究的重點。

微型旋翼無人機的系統研究主要是針對地面控制系統和機載測控通信系統，地面控制系統是能夠對無人機的飛行姿態進行監測和指令控制；機載測控通信系統主要是在無人機飛行狀態下對慣性感測器、超音波測距儀等進行數據採集，並把這些數據傳送給地面控制系統。

基本介紹

• 中文名：微型旋翼無人機
• 外文名：Micro rotor UAV
• 基礎：微機電系統集成的產物
• 特點：垂直起降旋翼式

無人機簡介

無人機(Unmanned Aerial Vehicle UAV)是一種不要駕駛員登機進行任何手動駕駛操作，完全在電子設備的監控下可以自動完成全部飛行過程的飛行器川，它的出現使各個國家對飛行器的研究進入了一個嶄新的時代。無人機以其生存能力較強、靈活性高、機動性好、使用非常方便和人員零傷亡風險等優點在現代戰爭中能夠發揮極其重要的作用，同時在民用和商用領域無人機也有非常廣闊的套用前景。

產品分類

無人機按飛行特點可以分為固定翼式、旋翼式和撲翼式無人機等種類，其中微型旋翼無人機具有體積較小、結構簡單、控制比較靈活等特點，能夠垂直起降、自由懸停，還能夠適應各種自然環境，具備自主飛行和著陸能力等優點，可以在一些不適合人類進入的複雜和危險環境中進行作業，近年來在科研機構、政府機構、廣播媒體、個人套用和軍事領域都有著越來越重要的套用。具體套用有如下幾個方面:對於科研機構，可以用來進行偏僻地區地質的考察、惡劣環境的評估和野生動植物生活習性的觀察;對於政府機構，在交通管理中進行道路狀況的實時監控，在火場指揮中進行現場火勢狀況的考察，在搶險救災中進行危險情況的反饋以便組織救援;對於媒體來說，可以進行實時新聞報導和遠程採訪;對於個人套用，可以用來進行空中攝影和遙控飛行;在軍事方面的套用非常廣泛，可以用於目標偵察和監視，尤其對人員無法進入的地區和衛星掃描不到的盲區進行偵察，傳回有效的圖片或錄像，提供實時的戰場情報，同時旋翼無人機還可以具有攻擊性，對目標進行火力打擊，這對於創建信息化軍隊，充分掌握戰場實時信息，減少戰爭人員傷亡，奪取戰爭主動性具有不可忽視的主導作用;微型旋翼無人機在民用和商業上同樣具有廣泛的套用，噴灑農藥閻、配送貨物等套用在當今社會發揮了越來越重要的作用。

研究現狀

國外研究

微型旋翼無人機是微機電系統集成的產物，以其能夠垂直起降、自由懸停、控制靈活和適應各種環境能力強等優點成為國內外很多實驗室研究的重點。

瑞士洛桑聯邦科技學院(EPFL) OS4項目實現了旋翼無人機在室內外環境下能夠自主飛行和自動避障，機載電子設備主要包括慣性測量單元IMU、超音波感測器、DSP處理器、電機調速模組和嵌入式計算機等，是一個完全自主的旋翼測試平台，使用4個超音波感測器來檢測前後左右四個方向上與障礙物之間的距離，1個超音波感測器用來測量無人機的飛行高度，實驗結果說明OS4旋翼無人機能夠有效避開各方向障礙物，實現自主飛行。洛桑聯邦理工學院內部建立的senseFLY公司，發布了eBee無人機，可以自定義飛行路線，用手把它拋向空中即可飛行，飛行過程中可以進行拍照，同時利用它提供的3D軟體可以方便處理照片，飛行中也可以更換飛行路線和降落點。圖為eBee無人機。

eBee無人機

美國麻省理工學院(MIT)無人機集群健康管理計畫( UAV SHMP)實現了旋翼無人機的自主飛行和編隊飛行，測試平台使用慣性測量感測器對無人機飛行速度、俯仰角等數據進行了測量，利用雷射檢測無人機的飛行環境，能夠有效避開障礙，進行飛行路線的重新規劃，實現了利用一台地面控制設備對多架旋翼無人機進行指令控制，並能夠用於地面導航和目標追蹤。在MIT校園裡，四軸飛行器SkyCall可以給遊客帶路，飛行器帶有超音波測距儀避免碰撞，當人的速度慢時，飛行器會降低速度，遊客還可以通過Wi-Fi與飛行器通信，通過傳送相關指令可以使飛行器懸停與恢復飛行等。

Lutronix公司正在研製一種15厘米的垂直起降旋翼式無人機，名叫Kollibri，它是在一個垂直圓柱頂端裝上旋翼，攝像機裝在底部。利用舵面控制俯仰、橫滾及偏航，一個壓電石英驅動器移動舵面。動力裝置是一台電動機或D-STAR公司正在研製的0.1馬力的柴油發動機。無人機的直徑10厘米，重316克，負載重量100克，微型柴油機重37克，燃料重132克，占整個無人機重量的一半以上。

國內研究

隨著國際上對微型旋翼無人機的研究不斷深入並取得累累碩果，國內對微型旋翼無人機的研究也逐步展開，主要研究單位集中在各大高校，研究內容主要是飛行控制算法和計算機仿真。國防科技大學提出了微型旋翼無人機自主控制的關鍵技術，通過對旋翼無人機的動力學模型和非線性控制算法進行研究，設計了自抗擾控制器和姿態控制器，仿真驗證了控制器效果;北京航空航天大學對微型旋翼無人機的非線性姿態動力學模型進行了研究，並對PID控制算法和自抗擾算法等進行了仿真實現;清華大學研發了“傾轉四旋翼”無人機，能夠提供10個自由度MEMS感測，可以用來控制無人機的飛行姿態;南京航空航天大學研究了無人機在懸停和低速飛行狀態下的飛行姿態穩定和相關慣性導航技術在2013年國際空中機器人大賽中，清華大學THRONE代表隊的無人機僅用8分鐘就完成了挑戰任務，對於尋找和抓取隨身碟任務，全球7個國家32支代表隊連續4年都沒能挑戰成功，北美賽區也沒有挑戰成功者，THRONE代表隊成為全球唯一的成功者，說明我國高校對無人機的自主飛行也達到了較高程度。下一步國內研究的重點是無人機完全自主飛行控制、實時自主決策、多機協同飛行和智慧型化等方向。

系統研究

微型旋翼無人機的系統研究主要是針對地面控制系統和機載測控通信系統，地面控制系統是能夠對無人機的飛行姿態進行監測和指令控制，能夠獲得無人機的加速度、角速度、高度、磁感應強度和位置信息等數據，並對這些數據進行處理，套用相關的控制算法進行無人機姿態的調整，機載測控通信系統主要是在無人機飛行狀態下對慣性感測器、超音波測距儀等進行數據採集，並把這些數據傳送給地面控制系統，確保無人機實時工作狀態的監測，這就需要機載平台有優良的結構設計和硬體選擇。為了能夠保證微型旋翼無人機工作狀態信息的實時性監測和準確性操控，通信系統的良好工作狀態有著不可或缺的作用，所以對通信系統的實時性和準確性的研究是非常有必要的。