昂海松

南京航空航天大學(xué) 微型飛行器研究中心， 南京　210016

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微型飛行器的設(shè)計(jì)原則和策略

昂海松*

南京航空航天大學(xué) 微型飛行器研究中心， 南京210016

摘要:為了探索微型飛行器(MAV)總體設(shè)計(jì)方法，在簡(jiǎn)要介紹微型飛行器的概念與技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，筆者根據(jù)多年的MAV研究和試驗(yàn)，提出了對(duì)微型飛行器設(shè)計(jì)原則的思考，闡述了研究性和實(shí)用性MAV以及固定翼、撲翼和旋翼等不同類(lèi)型MAV的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。通過(guò)MAV設(shè)計(jì)的矛盾與協(xié)調(diào)關(guān)系、設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化問(wèn)題說(shuō)明了MAV設(shè)計(jì)的特殊性。最后，展望了微型飛行器設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，為微型飛行器總體設(shè)計(jì)研究提供了參考思路。

關(guān)鍵詞:微型飛行器; 總體設(shè)計(jì); 技術(shù)難點(diǎn); 設(shè)計(jì)原則; 設(shè)計(jì)策略

微型飛行器(MAV)是20世紀(jì)90年代開(kāi)始提出的新概念技術(shù)。自1997 年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)正式啟動(dòng)微型飛行器基礎(chǔ)技術(shù)研究到現(xiàn)在十多年時(shí)間，受到各國(guó)許多著名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的熱情響應(yīng)和探索研究。美國(guó)與歐洲等舉辦多次微型飛行器的表演與比賽，出現(xiàn)了多種形式、大小不同、形狀新穎的微型飛行器試驗(yàn)機(jī)。

目前，微型飛行器技術(shù)向基于兩個(gè)不同目的的方向發(fā)展。

一類(lèi)是研究性MAV的發(fā)展。以大學(xué)為主要研究力量，仍然苦苦追尋著DARPA于1996年討論的“15 cm尺寸”的目標(biāo)[1]，研制出各種各樣探索性的微型飛行器，如圖1所示，有固定翼、撲翼和旋翼3類(lèi)微型飛行器[2]。從各國(guó)微型飛行器的表演與比賽作品可以看出，其形式多樣，但多數(shù)還是遙控飛行表演，少數(shù)具有一定的自主飛行控制與導(dǎo)航能力。美國(guó)Florida大學(xué)已研制出新型的15 cm微型飛行器并成功飛行，處于15 cm尺寸微型飛行器研制的領(lǐng)先水平。微型共軸雙旋翼飛行器和四軸螺旋槳微型飛行器，以其可在空中懸停而引起很多人的興趣。一大批科技工作者苦苦研究和探索，尋找新的突破口,因此才有美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研制的25 mm大的“機(jī)器蒼蠅”(Micromechanical Flying Insect)和哈佛大學(xué)研制的30 mm大的“Flying Robotic Insects”，盡管目前它們只是無(wú)控制地?fù)鋭?dòng)“飛行”很一小段距離。

另一類(lèi)是實(shí)用性MAV的發(fā)展。DARPA和軍方同時(shí)把注意力投向軍事實(shí)用性。自2001年起，美國(guó)國(guó)防部將MAV列入先期概念技術(shù)演示(Advanced Concept Technology Demonstration)計(jì)劃。雖然DARPA曾提出150 mm 的研制計(jì)劃，但目前難以應(yīng)用于實(shí)際。由于軍事上需求較迫切，在眾多探索性微型飛行器中，2006年，美國(guó)DARPA和軍方選擇一些實(shí)用可行性更大、但尺寸也更大的微型飛行器作為微型空中偵察裝備，進(jìn)入“演示驗(yàn)證”和戰(zhàn)場(chǎng)上試用, 如圖2所示[2]。

圖1研究中的15 cm或更小的微型飛行器[2]
Fig. 115 cm or less micro air vehicle under research[2]

圖2美國(guó)應(yīng)用于軍方的微型飛行器[2]
Fig. 2MAV applied to US military[2]

美國(guó)航空環(huán)境(AeroVironment)公司最早研制的“黑寡婦”(BlackWidow)MAV采用固定翼方案。其第一代和第二代產(chǎn)品(150 mm)于2000年通過(guò)試飛實(shí)驗(yàn)，曾名喧一時(shí)。其中第二代“黑寡婦”MAV，質(zhì)量為80 g，可連續(xù)飛行30 min，后因承載能力太弱而停止研制。公司改為研制“黃蜂”系列(WASP)MAV，其中WASP I型翼展為330 mm,WASP II型翼展為410 mm。該公司還研制了由燃料電池驅(qū)動(dòng)的“大黃蜂”(Hornet)，該MAV翼展為380 mm。2006年12月，美國(guó)空軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)選擇美國(guó)航空環(huán)境公司研制的MAV“黃蜂”中較大尺寸的WASP II型(質(zhì)量為273 g)和WASP III型(質(zhì)量為430 g)，計(jì)劃作為美國(guó)“戰(zhàn)場(chǎng)空中目標(biāo)偵察系統(tǒng)”進(jìn)行研制。

美國(guó)霍尼韋爾公司(Honeywell)為DARPA研制了一種與之前的微型飛行器完全不一樣的涵道風(fēng)扇式MAV，涵道直徑為330 mm，高約為600 mm,質(zhì)量為16 lb(1 lb=0.453 592 4 kg)，由于采用多油箱汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，承重大，可懸停。2006年，DARPA將其正式列入軍事用途的先期概念技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃。2007年，該型MAV已部署到伊拉克進(jìn)行試用，用于從空中識(shí)別臨時(shí)爆炸裝置(IED)。

1微型飛行器的技術(shù)難點(diǎn)

由于微型飛行器是新概念技術(shù)，成熟的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)資料很少，在筆者十幾年來(lái)對(duì)數(shù)十種微型飛行器的研制和探索中，深刻體會(huì)到MAV設(shè)計(jì)、研制和試驗(yàn)中的一系列技術(shù)難點(diǎn)[3-4]。

1) 低雷諾數(shù)氣動(dòng)特性引起的不穩(wěn)定

雷諾數(shù)Re是表征流體慣性力和黏性力之間相互關(guān)系的無(wú)量綱數(shù)，Re=ρVL/μ，其中：ρ為大氣密度；V為飛行速度；L為飛行器特征長(zhǎng)度；μ為黏性系數(shù)。

由于MAV尺寸小、速度低，呈典型的低雷諾數(shù)氣動(dòng)特性。微型飛行器飛行時(shí)因低雷諾數(shù)，其表面的層流附面層難以維持，十分容易發(fā)生“分離”，而導(dǎo)致小迎角也會(huì)出現(xiàn)MAV表面氣流的不穩(wěn)定,如圖3所示[5]。

2) MAV的非線性、非定常力學(xué)特征

圖3煙風(fēng)洞中低雷諾數(shù)層流附面層發(fā)生分離的實(shí)驗(yàn)[5]
Fig. 3Low Reynolds number laminar boundary layer separation experiment in smoke wind tunnel[5]

微型飛行器外形布局與常規(guī)無(wú)人機(jī)有很大不同。固定翼MAV的小展弦比單翼布局、撲翼MAV的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)翼、旋翼MAV的升力與速度控制的耦合等，使得其氣動(dòng)和飛行力學(xué)呈強(qiáng)烈的非線性和非定常特征。因此，MAV的構(gòu)型與運(yùn)動(dòng)形態(tài)以及其飛行控制必須作特殊設(shè)計(jì)(參見(jiàn)圖4，圖中：t為時(shí)間;T為周期;α為迎角;fflap為撲動(dòng)頻率)。

3) MAV質(zhì)量小、抗陣風(fēng)能力弱

MAV質(zhì)量小(典型的小于200 g)，在有風(fēng)或大氣紊流的情況下不但難于維持穩(wěn)定，甚至有在強(qiáng)風(fēng)作用下墜毀的可能。這無(wú)疑給復(fù)雜環(huán)境和較遠(yuǎn)距離的自主飛行控制帶來(lái)極大的困難。圖5反映了陣風(fēng)作用下固定翼微型飛行器升力系數(shù)CL和阻力系數(shù)CD的波動(dòng)明顯[5],圖中：f為陣風(fēng)脈動(dòng)頻率。

4) MAV承載能力小、續(xù)航時(shí)間短

由于MAV尺寸小升力有限，因此其承載能力很小。為了保證MAV的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和任務(wù)載荷的功能，系統(tǒng)的重量和尺寸必須要超微型化。而且動(dòng)力與能源的重量也有限制，要具備一定的續(xù)航時(shí)間，這無(wú)疑是設(shè)計(jì)的難題。

圖4撲翼升力與推力的非定常變化[5]
Fig. 4Variation of unsteady flapping wing lift and thrust[5]

圖5陣風(fēng)對(duì)MAV升力和阻力的影響[5]
Fig. 5Effect of gust on MAV’s lift and drag[5]

5) 高度集成的系統(tǒng)電磁干擾問(wèn)題

MAV不得不對(duì)重量要求“苛刻”并對(duì)內(nèi)部系統(tǒng)要求高度集成，在十幾厘米范圍內(nèi)，要布置動(dòng)力系統(tǒng)、能源裝置、飛行控制與導(dǎo)航系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)和任務(wù)裝置，所以對(duì)各個(gè)“分系統(tǒng)”不能不“以克計(jì)較”并減少設(shè)計(jì)接口。由于微弱的信號(hào)和高密度電路所產(chǎn)生的內(nèi)部電磁干擾問(wèn)題，是MAV精確控制和信息傳輸?shù)碾y關(guān)。

2微型飛行器設(shè)計(jì)的原則

對(duì)于微型飛行器設(shè)計(jì)的特殊性，國(guó)際無(wú)人機(jī)協(xié)會(huì)主席Michelson在論文“微型飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述與集成”[1]中有較深刻的理解：“……15 cm以下尺度的微型飛行器并不是大尺寸飛行器的簡(jiǎn)單縮小，因?yàn)槲矬w運(yùn)動(dòng)所受到的空氣動(dòng)力作用隨著物體尺寸的減小而改變?！鼑?yán)重的氣動(dòng)設(shè)計(jì)問(wèn)題是微型化、能源和非尺度問(wèn)題?！?/p>

微型飛行器的設(shè)計(jì)對(duì)航空工程師提出了新的挑戰(zhàn)，不能不尋求不同于常規(guī)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)傳統(tǒng)程序的新思路。

1) 研究性微型飛行器

直到目前為止，微型飛行器還是探索類(lèi)的新概念飛行器。微型飛行器能小到什么程度？能完成什么樣的功能？什么樣的構(gòu)型比較適合?尚需要長(zhǎng)時(shí)間的研究，因此，研究性微型飛行器的探索是必要的。這類(lèi)MAV的研究(不論是理論研究還是飛行器試驗(yàn)機(jī)的研制)不一定有明確具體的實(shí)用目標(biāo)。研究的目的主要是探索微型飛行器的尺寸效應(yīng)、構(gòu)型與布局、動(dòng)力與能源、飛行控制方法、承載能力、執(zhí)行任務(wù)功能、系統(tǒng)的超微型化、避障功能等。為此，以微型飛行器小尺寸來(lái)推動(dòng)各種形式的MAV設(shè)計(jì)，以及與之相適應(yīng)的微型器件的設(shè)計(jì)與制造和智能控制方法仍然是MAV研究的發(fā)展方向。

2) 實(shí)用性微型飛行器

鑒于微型飛行器具有體積小、重量輕、隱蔽性好、靈活性強(qiáng)以及適于近距離細(xì)節(jié)偵察等特點(diǎn)，其正在成為一類(lèi)新型作戰(zhàn)模式和特殊環(huán)境(如城市、山林、海上登陸、機(jī)降作戰(zhàn)和反恐等)下的特種裝備或“蜂群”式作戰(zhàn)裝置。研制當(dāng)前需求的實(shí)用微型飛行器也非常必要。

由于現(xiàn)階段在材料、微細(xì)加工、系統(tǒng)模塊、動(dòng)力、能源、任務(wù)裝置等方面的微型化和重量的局限性，要想使微型飛行器執(zhí)行一定的實(shí)用功能(飛行距離、續(xù)航時(shí)間、承載能力、自主能力和執(zhí)行任務(wù))，必須放寬對(duì)原來(lái)有關(guān)微型飛行器的技術(shù)要求，尤其是對(duì)尺度的放寬，以保證能承載足夠的重量、滿足續(xù)航時(shí)間要求的能源和足夠的抗風(fēng)能力。

3) 微型飛行器類(lèi)型的選擇

在微小尺寸的限制下研制出多種多樣的飛行器構(gòu)型，也是MAV外形設(shè)計(jì)與常規(guī)無(wú)人機(jī)布局的很大不同。從飛行原理角度將現(xiàn)有的MAV分為固定翼微型飛行器、撲翼微型飛行器和旋翼微型飛行器3類(lèi)[5-6]。

① 固定翼微型飛行器

固定翼微型飛行器是目前幾種MAV中飛行速度最快的一種，而且阻力小、耗能小，但不能懸停。即使是固定翼微型飛行器也與常規(guī)無(wú)人機(jī)有所不同，通常不但設(shè)計(jì)為單翼式，而且受最大尺寸限制機(jī)翼為小展弦比，如圖6所示。

② 撲翼微型飛行器

仿鳥(niǎo)或昆蟲(chóng)的撲動(dòng)飛行模式是微型飛行器目前獨(dú)特的形式之一[7]。撲翼微型飛行器在空中飛行時(shí)酷似鳥(niǎo)，如圖7所示，因此隱蔽性好。由于目前的撲翼驅(qū)動(dòng)多半為機(jī)電機(jī)構(gòu)，尚不能實(shí)現(xiàn)生物肌肉驅(qū)動(dòng)，因此能耗較大。隨著撲動(dòng)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)和智能化，撲翼微型飛行器將是很有發(fā)展前途的MAV。

③ 旋翼微型飛行器

旋翼微型飛行器是指主要通過(guò)旋翼(包括螺旋槳)獲得升力和前進(jìn)力的微型飛行器，有單旋翼型和共軸雙旋翼型，目前發(fā)展迅速的是多旋翼型，如圖8所示。

旋翼微型飛行器的最大特點(diǎn)是可以在空中懸停，但相對(duì)耗能大、速度慢。

由于目前微型飛行器的實(shí)用產(chǎn)品較少，所以尚不宜像常規(guī)無(wú)人機(jī)那樣以使用性能來(lái)分類(lèi)，而是根據(jù)使用要求來(lái)選擇和設(shè)計(jì)適合類(lèi)型的微型飛行器。

4) 微型飛行器的技術(shù)要求

圖6南京航空航天大學(xué)研制的部分固定翼微型飛行器
Fig. 6Parts of fixed wing MAVs developed by Nanjing University of Aeronautics and Astronuatics (NUAA)

圖7南京航空航天大學(xué)研制的部分撲翼MAV
Fig. 7Parts of flapping wing MAVs developed by NUAA

圖8南京航空航天大學(xué)研制的部分多旋翼MAV
Fig. 8Parts of multi-rotor MAVs developed by NUAA

與其他無(wú)人機(jī)一樣，微型飛行器的技術(shù)要求也涉及到：任務(wù)使命、環(huán)境適應(yīng)性和隱蔽性、飛行性能(速度、高度、續(xù)航時(shí)間、控制半徑、起降方式和飛行控制等)、 使用性要求(可用性、可靠性、維修性、安全性和便攜性等)和經(jīng)濟(jì)性要求。

然而，微型飛行器更強(qiáng)調(diào)隱身、適應(yīng)特殊環(huán)境、狹小空間飛行、使用便捷和低成本等特殊要求。對(duì)微型飛行器具體技術(shù)指標(biāo)的確定，必須進(jìn)行精心的綜合設(shè)計(jì)與協(xié)調(diào)，經(jīng)過(guò)反復(fù)修改才能達(dá)到所期望的技術(shù)要求。

3微型飛行器設(shè)計(jì)的策略

1) MAV設(shè)計(jì)的矛盾與協(xié)調(diào)

微型飛行器體積微小且高度集成，改變?nèi)魏我粋€(gè)技術(shù)指標(biāo)值，都會(huì)牽一線而動(dòng)全身。因此微型飛行器不能像大型無(wú)人機(jī)那樣，對(duì)外形、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、任務(wù)裝置各自進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，必須采取綜合設(shè)計(jì)、反復(fù)協(xié)調(diào)的策略。

① 尺寸、有效載荷和續(xù)航時(shí)間的協(xié)調(diào)

微型飛行器的尺寸限定了最大有效載荷，如果尺寸大小確定，要增加有效載荷必然會(huì)消耗更大的能源，而在能源重量不變的情況下，那只能減少續(xù)航時(shí)間。但在一定微小尺寸范圍內(nèi)，并不是尺寸越大，承載重量越大。這是因?yàn)槌叽缭龃?，阻力增大，所耗能源增大，因此單純?cè)龃蟪叽纾诶m(xù)航時(shí)間不變時(shí)，并不一定能增加有效載荷重量。因此，在微型飛行器尺寸一定的情況下，必須對(duì)有效載荷和續(xù)航時(shí)間的指標(biāo)進(jìn)行協(xié)調(diào)。

② 升力、動(dòng)力和能源的協(xié)調(diào)

無(wú)論是固定翼、旋翼、還是撲翼微型飛行器，升力的大小取決于提供的動(dòng)力大小。然而，增加動(dòng)力，必然會(huì)增加能源的消耗。但在其他性能指標(biāo)不變情況下，能源加大則增加了飛行器重量，因而，原有的升力就不夠了。目前，微型飛行器多數(shù)采用電動(dòng)機(jī)，通常電池重量要占到飛行器總重量的1/3左右，高能重比的電池選取很重要。目前聚合物鋰電池重量減輕的空間已有限，如果沒(méi)有其他能源替代，那么電池重量、電動(dòng)機(jī)耗電率、承重升力必須反復(fù)進(jìn)行協(xié)調(diào)。

③ 尺寸、質(zhì)量和控制的協(xié)調(diào)

常規(guī)尺寸的無(wú)人機(jī)，其尺寸大小與飛行控制之間并沒(méi)有直接關(guān)系。微型飛行器則不然，因?yàn)槲⑿惋w行器尺寸越小，其低雷諾數(shù)的氣流特性越明顯。低雷諾數(shù)的氣流容易在飛行器表面產(chǎn)生氣流分離，從而引起飛行的不穩(wěn)定。另一方面，在小尺寸下要保證提供升力的機(jī)翼面積，就只能設(shè)計(jì)為小展弦比(甚至展弦比接近1)，而小展弦比機(jī)翼的非線性飛行力學(xué)特征較突出(見(jiàn)圖9[5])。同時(shí)，小尺寸和小質(zhì)量的微型飛行器還易受大氣紊流的干擾。低雷諾數(shù)、非線性、非定常的空氣動(dòng)力學(xué)特性給飛行控制帶來(lái)很大的困難。微型飛行器的尺寸與質(zhì)量的指標(biāo)和控制方法的設(shè)計(jì)必須反復(fù)進(jìn)行協(xié)調(diào)。

圖9固定翼MAV的非線性渦[5]
Fig. 9Nonlinear vortex of fixed wing MAV[5]

④ 高集成性、尺寸和電磁干擾的協(xié)調(diào)

系統(tǒng)的高集成性是先進(jìn)微型飛行器設(shè)計(jì)所必需的。而小尺寸的微型飛行器機(jī)體，給各種電器(動(dòng)力系統(tǒng)、能源裝置、伺服舵機(jī))、電子設(shè)備(控制與導(dǎo)航系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備)留有的空間很小，因此，高密度電路、電器和電子器件對(duì)微系統(tǒng)微弱信號(hào)所產(chǎn)生的內(nèi)部電磁干擾問(wèn)題，一直是微型飛行器電磁兼容設(shè)計(jì)的難關(guān)。因此在強(qiáng)調(diào)高集成性的同時(shí)，必須精心布置各種電器、電子設(shè)備的位置并進(jìn)行電磁屏蔽設(shè)計(jì)。

微型飛行器的特點(diǎn)就在于小，而小尺寸給微型飛行器的設(shè)計(jì)和研制帶來(lái)一系列的矛盾。這些矛盾又密切相關(guān)，不是單一改變總體尺寸就能解決的問(wèn)題?！盀闇p輕飛機(jī)的每一克重量而奮斗”是飛機(jī)設(shè)計(jì)者的座佑銘，對(duì)微型飛行器設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，更是成功與否的關(guān)鍵。微型飛行器系統(tǒng)每一個(gè)零部件必須“克克計(jì)較”。與常規(guī)飛行器相比，微型飛行器的尺寸要求與功能性要求的協(xié)調(diào)存在更大的困難性，這主要受制于現(xiàn)有微小型器件的技術(shù)水平。如果希望微型飛行器完成某系列技術(shù)指標(biāo)的性能要求，同時(shí)又嚴(yán)格限定其最大尺寸，有時(shí)會(huì)矛盾到“不可能”。由于微型飛行器本身就很小，變化余量小，使用部門(mén)必須與有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)部門(mén)仔細(xì)討論研究，反復(fù)協(xié)調(diào)技術(shù)指標(biāo)要求方可。

2) MAV設(shè)計(jì)方法的特殊性

① 特殊的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法

由于 MAV的非線性、非定常力學(xué)特征，線性空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法已不適合用于微型飛行器設(shè)計(jì)。為此，需要求解非定常Navier-Stokes流體動(dòng)力學(xué)方程，即

(1)

式中：W=[ρρuρvρwρe]T為守恒變量；F(W)和Fv分別為對(duì)流通量和黏性通量，守恒變量對(duì)原始變量的雅克比矩陣為

(2)

對(duì)微型飛行器求解式(2)：一要解決適應(yīng)低雷諾數(shù)問(wèn)題，如用預(yù)處理方法；二要求解隨時(shí)間邊界變化的非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)問(wèn)題，如用預(yù)處理雙時(shí)間步推進(jìn)法[5]。

對(duì)于具有大幅邊界運(yùn)動(dòng)的撲翼氣動(dòng)特性計(jì)算，還必須要設(shè)計(jì)求解非定常流場(chǎng)的良好動(dòng)態(tài)網(wǎng)格生成技術(shù)，如文獻(xiàn)[5]提出的一種動(dòng)態(tài)嵌套網(wǎng)格分層管理的思想和雙重Delaunay圖映射的動(dòng)態(tài)網(wǎng)格生成方法，如圖10所示，解決了既有部件大幅運(yùn)動(dòng)又有結(jié)構(gòu)變形的柔性撲翼的非定常流場(chǎng)計(jì)算問(wèn)題，揭示了仿鳥(niǎo)與仿昆蟲(chóng)撲翼由于附著渦的延遲脫落而產(chǎn)生高升力和柔性撲翼產(chǎn)生“反卡門(mén)渦街”的尾流作用而形成推力的機(jī)理(見(jiàn)圖11)，解釋了鳥(niǎo)沒(méi)有螺旋槳或噴氣機(jī)而能前進(jìn)飛行的原理[5]。

圖10動(dòng)態(tài)嵌套網(wǎng)格[5]
Fig. 10Dynamic nested grid[5]

圖11撲翼渦高升力機(jī)理與柔性撲翼反卡門(mén)渦街[5]
Fig. 11High lift mechanism of flapping wing and anti Carmen vortex of flexible flapping wing[5]

② 材料與結(jié)構(gòu)

要減少微型飛行器結(jié)構(gòu)重量，必須用復(fù)合材料。目前，MAV多半采用比模量、比強(qiáng)度高的碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料。為了減少著陸碰撞損傷，也有將著陸部分結(jié)構(gòu)用芳綸纖維復(fù)合材料的。

固定翼MAV結(jié)構(gòu)通常設(shè)計(jì)為翼身融合有空腔的整體結(jié)構(gòu)。為了減緩陣風(fēng)作用，固定翼MAV也有設(shè)計(jì)成柔性單壁面結(jié)構(gòu)(如圖12所示)的，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[5]，柔性結(jié)構(gòu)翼有明顯的減緩陣風(fēng)干擾的作用。撲翼的結(jié)構(gòu)一定要設(shè)計(jì)成有弦向柔性變形的形式。因?yàn)閾湟碓谏舷轮鲃?dòng)撲動(dòng)的同時(shí)，只有通過(guò)柔性結(jié)構(gòu)的慣性力而產(chǎn)生弦向“撲動(dòng)”，才能產(chǎn)生前進(jìn)的推力(見(jiàn)圖11)。多旋翼微型飛行器通常設(shè)計(jì)有沿徑向伸出的支臂。為了便于攜帶，南京航空航天大學(xué)微型飛行器研究中心將其設(shè)計(jì)為支臂可折疊形式，如圖13所示[6]。

圖12柔性固定翼結(jié)構(gòu)[5]
Fig. 12 Flexible fixed wing structure[5]

圖13四旋翼折疊形式[6]
Fig. 13 Folding form of four-rotor wing[6]

智能材料結(jié)構(gòu)也是微型飛行器新型結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個(gè)方向，如哈佛大學(xué)研制的“飛行昆蟲(chóng)”試驗(yàn)機(jī)(見(jiàn)圖1)，就是設(shè)計(jì)一種電致變形材料驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生120次/s的翼拍動(dòng)。

鳥(niǎo)與昆蟲(chóng)用很小的能量可以飛行很長(zhǎng)時(shí)間,要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)在用電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行撲翼運(yùn)動(dòng)所消耗的能量。生物專(zhuān)家研究發(fā)現(xiàn)，由肌肉的伸縮來(lái)帶動(dòng)骨骼運(yùn)動(dòng)是一種極省能量的驅(qū)動(dòng)方式，而肌肉的伸縮是由肌肉中存在的兩種纖維狀的蛋白質(zhì)“肌動(dòng)蛋白”和“肌球蛋白”相互滑動(dòng)產(chǎn)生的，從而才有了對(duì)外做功的機(jī)械能。兩種纖維狀蛋白質(zhì)的運(yùn)動(dòng)是由動(dòng)物所攝取的食物轉(zhuǎn)化的化學(xué)物質(zhì)在神經(jīng)指令下的化學(xué)作用結(jié)果。有專(zhuān)家研究用電致伸縮聚合體人造肌肉(ElectrostrictivePolymerActuatedMuscle,EPAM)來(lái)驅(qū)動(dòng)撲翼“骨骼”，無(wú)需電動(dòng)機(jī)、減速齒輪等復(fù)雜機(jī)械裝置而實(shí)現(xiàn)撲翼機(jī)械運(yùn)動(dòng)[8]。

③ 微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器

微型飛行器系統(tǒng)要盡可能設(shè)計(jì)的重量輕和體積小，因此，所用傳感器必須超微型化，目前主要采用的是MEMS傳感器。

MEMS是微電路和微機(jī)械按功能要求在芯片上的集成，芯片尺寸通常在毫米或微米級(jí)。MEMS傳感器是采用微機(jī)械加工技術(shù)制造的新型傳感器。

微型飛行器所用傳感器主要分兩類(lèi)：一類(lèi)是飛行控制導(dǎo)航所用傳感器，如陀螺和加速度計(jì)(如圖14所示[5])、磁強(qiáng)計(jì)、氣壓計(jì)、溫度傳感器、衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)等，以及微處理計(jì)算機(jī)芯片(如圖15所示[5])；另一類(lèi)是對(duì)外探測(cè)傳感器，如微型可見(jiàn)光攝像機(jī)、熱成像儀、紅外探測(cè)儀、超聲波測(cè)距儀、激光測(cè)距儀等。無(wú)論何種傳感器，想做到微型化都離不開(kāi)MEMS技術(shù)，有的還需要將原來(lái)的電路板模塊研制成集成芯片。

圖14MEMS陀螺和加速度計(jì)[5]
Fig. 14MEMS gyroscope and accelerometer[5]

圖15微型飛行控制模塊(南京航空航天大學(xué))[5]
Fig. 15Micro flight control module (NUAA)[5]

由于原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝方面的限制，微型傳感器的精度通常較低，測(cè)量信息中有時(shí)誤差比較大，對(duì)誤差進(jìn)行分析和建模是提高器件特性的有效手段。進(jìn)一步對(duì)微型傳感器進(jìn)行誤差補(bǔ)償(如圖16所示)以提高M(jìn)EMS器件的使用精度[6]。

圖16MEMS陀螺濾波前后Allan方差圖對(duì)比[6]
FIG. 16Comparison of Allan variance diagram before and after wave filtering of MEMS gyroscope[6]

④ 智能控制方法

由于MAV質(zhì)量小，易受陣風(fēng)干擾而呈強(qiáng)烈的非線性和大幅度的非定常飛行動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，無(wú)人機(jī)常規(guī)的比例-積分-微分(PID)控制方法已不適用，必須根據(jù)不同的微型飛行器類(lèi)型、甚至不同的特定MAV對(duì)象，來(lái)建立智能飛行控制方法。

文獻(xiàn)[9]中提出了一種在線神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)逆自適應(yīng)控制方法(如圖17所示)，結(jié)合時(shí)標(biāo)分離的思想，設(shè)計(jì)了慢變量和快變量動(dòng)態(tài)逆，同時(shí)引入在線神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)補(bǔ)償逆誤差，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)權(quán)重的在線調(diào)整，可以重構(gòu)多種原因所引起的逆誤差，動(dòng)態(tài)消除逆誤差對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，并通過(guò)偽控制補(bǔ)償器適當(dāng)改變參考模型輸出信號(hào)，避免了自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與作動(dòng)器之間的交互影響，從而使系統(tǒng)始終保持穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果表明：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)逆有較強(qiáng)的魯棒性、穩(wěn)定性、抗陣風(fēng)干擾能力和指令跟蹤能力，顯著提高了微型飛行器控制自適應(yīng)能力。

圖17在線神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[9]
Fig. 17Structure of adaptive control system of online neural network[9]

圖18基于生物視覺(jué)匹配的全自主識(shí)別環(huán)境方法[6]
Fig. 18Methods of fully autonomous recognition of environment based on biological visual matching[6]

要實(shí)現(xiàn)微型飛行器室內(nèi)自主控制飛行，單純的基于慣性導(dǎo)航的智能軟件控制方法還不夠，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航因室內(nèi)無(wú)信號(hào)而無(wú)法使用，因此要識(shí)別室內(nèi)環(huán)境、避開(kāi)障礙物飛行，還需要增加其他傳感器及控制方法。南京航空航天大學(xué)微型飛行器研究中心創(chuàng)建了一種無(wú)衛(wèi)星導(dǎo)航、自主識(shí)別環(huán)境和自動(dòng)避障的全自主微型機(jī)載控制系統(tǒng)。提出一種無(wú)GPS導(dǎo)航、無(wú)需遙控或地面站通信，集視覺(jué)、超聲波、激光、慣性、磁傳感器的機(jī)載全自主飛行控制與導(dǎo)航技術(shù)，建立了環(huán)境特征識(shí)別、障礙位置估計(jì)、走廊深度透視分析、運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化的環(huán)境自主識(shí)別方法，提出了基于生物視覺(jué)匹配方法對(duì)目標(biāo)的跟蹤與定位技術(shù)(如圖18所示[6])，建立了一套微型飛行器自動(dòng)識(shí)窗入室、自動(dòng)避障、自動(dòng)規(guī)劃的機(jī)載全自主飛行控制導(dǎo)航系統(tǒng)。近來(lái)利利用昆蟲(chóng)對(duì)光流敏感的避障原理，設(shè)計(jì)的基于光流傳感器的MAV飛行控制方法[10]，也是一種有意義的探索。

此外，撲翼MAV的升力控制與推力控制耦合問(wèn)題、多旋翼MAV的姿態(tài)控制與軌跡控制耦合問(wèn)題，都需要建立特殊的控制模型和控制方法。

3) 微型飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

從上述分析可知，要設(shè)計(jì)出較滿意的微型飛行器，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)致的優(yōu)化，無(wú)疑是十分必要的。然而，微型飛行器尺寸小、重量輕、系統(tǒng)高度集成，使得單方向優(yōu)化設(shè)計(jì)行不通。協(xié)調(diào)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)是微型飛行器必需的途徑，僅就尺寸和續(xù)航時(shí)間問(wèn)題就涉及到飛行器總體設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)、動(dòng)力、能源、電子、自動(dòng)化、機(jī)電制造等學(xué)科，這也是微型飛行器需要多學(xué)科設(shè)計(jì)綜合優(yōu)化的原因。

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(MDO)方法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種可以解決復(fù)雜工程系統(tǒng)和多學(xué)科動(dòng)態(tài)影響的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)充分利用各個(gè)學(xué)科之間的相互作用所產(chǎn)生的協(xié)同作用，以獲得系統(tǒng)的整體最優(yōu)解。

只有采用多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)方法才能有效得到“最佳”設(shè)計(jì)結(jié)果。如，以最小重量為目標(biāo)的MDO，包括幾何外形、結(jié)構(gòu)、內(nèi)部系統(tǒng)重量與布置的設(shè)計(jì)。當(dāng)然，MDO依賴(lài)于各個(gè)子系統(tǒng)的分析方法是否有效。筆者先后對(duì)MAV機(jī)翼氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)、增大航程優(yōu)化設(shè)計(jì)、撲翼的氣動(dòng)設(shè)計(jì)、承重能力設(shè)計(jì)、抗陣風(fēng)干擾設(shè)計(jì)進(jìn)行了MDO研究，取得了一定的效果。從科學(xué)意義上來(lái)說(shuō)，微型飛行器技術(shù)正是在小尺寸下“逼”出來(lái)的新技術(shù)。必須設(shè)計(jì)新的布局以及柔性結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)低雷諾數(shù)氣動(dòng)特性和大氣紊流的干擾；必須研究小到0.2g(甚至更小)的MEMS傳感器和其他電子器件，以及如何設(shè)計(jì)成高度集成、重量很輕的內(nèi)部系統(tǒng)；必須研制能產(chǎn)生足夠功率而重量微小的動(dòng)力裝置；必須研究新型的比能高、供能時(shí)間長(zhǎng)的輕型能源；必須研究與現(xiàn)在不同的材料結(jié)構(gòu)和舵面驅(qū)動(dòng)方法；必須研究完全不同于無(wú)人機(jī)各種動(dòng)翼型的飛行器原理，以實(shí)現(xiàn)小尺寸而滿足性能要求的新型MAV。

4結(jié)束語(yǔ)

微型飛行器技術(shù)從正式計(jì)劃進(jìn)行基礎(chǔ)研究到現(xiàn)在僅十幾年時(shí)間，其仍然屬于起步階段的新概念技術(shù)。根據(jù)國(guó)外和筆者研究的情況，要研制尺寸更小、性能好、實(shí)用性強(qiáng)的微型飛行器，在新型MAV型式探索、力學(xué)與控制原理、微型器件、動(dòng)力、微電子技術(shù)等方面需要大量的研究[11-14]。

各種微型飛行器類(lèi)型與系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展還剛剛開(kāi)始，人們心目中的微型飛行器，希望更微小、更靈巧和更智能化，能夠像自然界各種各樣的鳥(niǎo)類(lèi)一樣自由飛翔，像蜜蜂、蚊子一樣隱秘潛行，具有像蜜蜂一樣的視嗅覺(jué)與靈感、像飛行生物一樣吃幾粒谷就能飛幾十公里的能力。

因此，微型飛行器系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，不僅要?jiǎng)?chuàng)新更多構(gòu)形的MAV，還要發(fā)展更微小的動(dòng)力裝置、能重比更大的微型新能源和轉(zhuǎn)化技術(shù)、更輕和具有主動(dòng)力感知與控制的智能材料、生物量級(jí)的傳感器、仿生物神經(jīng)智能控制技術(shù)、仿生物對(duì)環(huán)境的感知識(shí)別技術(shù)、更微型化的信息傳輸技術(shù)、超微型特種功能裝置等。反過(guò)來(lái)，微型飛行器的研究不僅推動(dòng)無(wú)人飛行器的發(fā)展，也必然促進(jìn)微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)生物和多學(xué)科交叉技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]DAVIS W R. Micro UAV[C]//23rd Annual AUVSI Symposium. Brussels: Unmanned Vehicle Systems， 1996:15-16.

[2]MICHELSON R. Overview of micro air vehicle system design and integration issues[M]//Encyclopedia of Aerospace Engineering: Part 34 Micro Air Vehicles, Chapter 345. Reston: AIAA Inc., 2011: 4253-4264.

[3]昂海松. 微型飛行器與無(wú)人機(jī)不同的概念與特點(diǎn)[J]. 無(wú)人機(jī), 2006(6): 20-24

ANG H S. MAV and the UAV concept and characteristics of different[J]. UAV, 2006(6): 20-24 (in Chinese).

[4]昂海松. 微型飛行器的技術(shù)難點(diǎn)及其突破途徑[C]//2008尖兵之翼——中國(guó)無(wú)人機(jī)大會(huì)論文集. 北京: 航空工業(yè)出版社, 2008： 546-549.

ANG H S. MAV technical difficulties and solutions[C]//Procceding in Chinese UAV Conference. Beijing: Aviation Industry Press, 2008: 546-549 (in Chinese).

[5]昂海松, 肖天航， 鄭祥明， 等. 微型飛行器設(shè)計(jì)導(dǎo)論[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2012: 1-285.

ANG H S, XIAO T H, ZHENG X M, et al. Introduction to the design of micro air vehicle[M]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University Press, 2012: 1-285 (in Chinese).

[6]昂海松， 周建江， 曹云峰， 等. 微型飛行器系統(tǒng)技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2014: 1-326.

ANG H S, ZHOU J J, CAO Y F, et al. The MAV system technology[M]. Beijing: Science Press, 2014: 1-326 (in Chinese).

[7]ANG H S, XIAO T H, DUAN W B. Flight mechanism and design of biomimetic micro air vehicles[J]. Science in China Series E: Technological Science, 2009, 52(12): 3722-3728.

[8]COLORADO J, BARRIENTOS A, ROSSI C, et al. Biomechanics of smart wings in a bat robot: Morphing-wings using SMA actuators[J]. Bioinspiration & Biomimetics, 2012, 7(3): 1-16 .

[9]蔡紅明, 昂海松. 基于自適應(yīng)逆的微型飛行器飛行控制系統(tǒng)[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 43(2): 137-142.

CAI H M, ANG H S. MAV flight control system based on adaptive inverse[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 2011, 43(2): 137-142 (in Chinese).

[10]FRANCESCHINI N. Biomimetic optic flow sensors and autopilots for MAV guidance[M]//Encyclopedia of Aerospace Engineering l: PART 34 Micro Air Vehicles, Chapter 353. Reston: AIAA Inc., 2011: 4347-4362.

[11]BENEDICT M, WINSLOW J, HASNAIN Z, et al. Experimental investigation of micro air vehicle scale helicopter rotor in hover[J]. International Journal of Micro Air Vehicles, 2015, 7(3): 231-256.

[12]MISHRA S, TRIPATHI B, GARG S, et al. Design and development of a bio-inspired flapping wing type micro air vehicle[J]. Procedia Materials Science, 2015, 10: 519-526.

[13]VERBOOM J L, TIJMONS S, DE WAGTER C, et al. Attitude and altitude estimation and control on board a flapping wing micro air vehicle[C]//2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). Piscataway, NJ: IEEE Press, 2015: 5846-5851.

[14]PAULOS J, YIM M. Flight performance of a swashplateless micro air vehicle[C]//2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). Piscataway, NJ: IEEE Press, 2015: 5284-5289.

昂海松男， 教授， 微型飛行器研究中心主任。主要研究方向： 飛行器設(shè)計(jì)。

Tel: 025-84896205

E-mail: ahs@nuaa.edu.cn

Received： 2015-08-11; Revised: 2015-10-21; Accepted: 2015-11-22; Published online: 2015-11-27 09:22

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151127.0922.002.html

Foundation item： Open Project of State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures (1001-IZD15001-1505 MCMS-0415G01)

Design principles and strategies of micro air vehicle

ANG Haisong*

Research Center of Micro Air Vehicle, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing210016, China

Abstract:In order to explore the overall design method of micro air vehicle (MAV), this paper briefly introduces the concept and technical difficulties of the MAV based on the author’s years of MAV research and test, it also proposes some thoughts on MAV design principle, discusses the research MAV and the practical MAV. The design features of different types of MAVs such as fixed wing, flapping wing and rotor MAVs are described. The strategies of MAV design are given and the special characteristics of MAV design are illustrated in terms of the contradiction and coordination of MAV design method and optimization problem. Finally, the development trend of MAV design is prospected, which provides the reference for the overall design of MAV.

Key words:micro air vehicle; overall design; technical difficulties; design principles; design strategies

*Corresponding author. Tel.： 025-84896205E-mail: ahs@nuaa.edu.cn

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類(lèi)號(hào)：V211.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6893(2016)01-0069-12

DOI：10.7527/S1000-6893.2015.0314

*通訊作者.Tel.： 025-84896205E-mail: ahs@nuaa.edu.cn

基金項(xiàng)目：機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題 (1001-IZD15001-1505 MCMS-0415G01)

收稿日期：2015-08-11; 退修日期: 2015-10-21; 錄用日期: 2015-11-22; 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間: 2015-11-2709:22

網(wǎng)絡(luò)出版地址： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151127.0922.002.html

引用格式： 昂海松． 微型飛行器的設(shè)計(jì)原則和策略[J]． 航空學(xué)報(bào), 2016, 37(1): 69-80. ANG H S. Design principles and strategies of micro air vehicle[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(1): 69-80.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn