微型旋翼无人机：技术发展与硬件解析

### 微型旋翼无人机：技术发展与硬件解析 #### 1. 微型无人机概述 无人飞行器（UAV）是配备了必要的数据处理单元、传感器、自动控制和通信系统的飞行器，能够在无需人类飞行员干预的情况下执行自主飞行任务。微型无人机的翼展或旋翼直径范围从小于 15 厘米的微型飞行器（MAV）到可承载数十公斤载荷的飞行器。在过去二三十年里，由于其低成本、小尺寸和高机动性等独特特点，微型无人机在全球范围内引起了广泛关注，并在军事和民用领域得到了广泛应用。 根据形状和几何结构，微型无人机可分为以下四类： 1. 固定翼无人机 2. 旋翼无人机 3. 扑翼无人机 4. 其他非常规无人机 目前，前两类在实际任务和科学研究中最为常用，而扑翼无人机在过去十年里在学术界受到了较多关注，不过其实际应用尚处于初步阶段。非常规无人机目前仍处于初始甚至概念开发阶段。 本文将重点关注微型旋翼无人机，这类无人机通常由无线电遥控（RC）的业余直升机升级而来，通过配备适当的航空电子系统实现自动飞行控制。除了一般无人机的特点外，旋翼无人机还具有独特的悬停能力，使其成为在受限区域执行任务的理想选择。 #### 2. 旋翼无人机的简要历史 现代旋翼机的雏形可以追溯到数百年甚至数千年前，如中国的竹蜻蜓和达·芬奇发明的旋翼机原型。然而，微型旋翼无人机直到最近几十年才开始流行并广泛应用。 20 世纪 70 年代以来的技术进步加速了现代无人机的诞生和发展。其发展历程如下： 1. **业余直升机阶段（1941 - 1980 年代初）**：1941 年，伊戈尔·西科斯基制造了第一架全尺寸直升机。此后，人们不断尝试缩小直升机尺寸并实现自主飞行。1968 年，西德的迪特尔·施卢特制造了第一架具有足够可控性的业余直升机。1974 年和 1978 年，卡万公司分别通过在主旋翼设计中应用贝尔和希勒概念（添加稳定杆）以及安装偏航率反馈，进一步提高了直升机的飞行性能。这种配置很快被业余制造商采用，成为大规模生产的标准。到 20 世纪 80 年代初，成熟的模型直升机已在全球的业余商店中广泛销售。 2. **现代旋翼无人机诞生（1980 年代）**：20 世纪 80 年代，嵌入式系统技术和微机电系统（MEMS）技术的快速发展成为第二个催化剂。这些技术的广泛应用大大减小了数据处理单元、导航传感器和通信设备的尺寸和重量，同时保持了计算能力、测量精度和通信范围。这使得制造轻便而强大的航空电子系统成为可能，最终催生了现代旋翼无人机。 3. **研究与发展加速（1990 年代 - 至今）**：自 20 世纪 90 年代以来，开发复杂可靠的旋翼无人机成为全球学术界的热门研究课题。1991 年，第一届国际空中机器人竞赛在佐治亚理工学院举行，该竞赛从大学活动逐渐发展成为无人机系统的主要国际舞台。多年来，参赛的空中机器人的能力不断提升，从最初只能勉强保持在空中飞行，发展到能够实现自我稳定、自主导航，并与周围环境（尤其是地面物体）进行交互。同时，许多研究致力于开发更先进的硬件平台、软件系统、空气动力学模型和自动飞行控制系统。 此外，1992 年，美国国防高级研究计划局（DARPA）在一次研讨会上讨论了在军事行动中使用微型无人机的想法。1997 年，DARPA 启动了一项为期多年、价值 3500 万美元的开发计划，旨在开发翼展或旋翼直径小于 15 厘米的微型飞行器。然而，2001 年该项目的初步研究结果并不理想，表明至少在短期内，15 厘米的无人机太小，难以发挥作用甚至无法正常工作。此后，更多的关注转向了更大规模的微型无人机及其实际应用。 目前，许多研究团队和公司积极投身于微型旋翼无人机的研究，推动了其广泛应用。以下是一些代表性的研究团队和他们的产品： | 团队/公司 | 产品 | | --- | --- | | Baykar Machine Inc. | Malazgirt Mini Unmanned Helicopters | | 北京航空航天大学 | FH Series UAVs | | 卡内基梅隆大学 | Yamaha - R50 - based UAV Helicopters | | 千叶大学 | Sky Surveyor | | Codarra Advanced Systems | AVATAR | | Draganfly Innovations Inc. | Draganflyer Series Multiple Rotor UAVs | | Epson Tokyo R&D | Micro Flying Robot | | 苏黎世联邦理工学院 | AkroHeli, PIXHAWK, muFly | | 佐治亚理工学院 | GTMax | | HighEye Aerial Service | HEF Series UAV Helicopters | | Honeywell | Duct - fan - based UAV iSTAR | | 以色列航空航天工业公司 | Naval Rotary UAV | | 林雪平大学 | WITAS UAV System | | 麻省理工学院 | MIT Quad - rotor MAV | | 南京航空航天大学 | YJL Quadrotor UAV | | NASA 艾姆斯研究中心 | Yamaha - Rmax - based UAV Helicopters | | 新加坡国立大学 | Lion UAV Family | | Rotomotion Inc. | SR Series VTOL UAVs | | SAAB 航空系统公司 | Skeldar V - 150 VTOL UAV | | 上海交通大学 | Sky - Explorer | | Schiebel | Camcopter S - 100 UAV System | | 西科斯基飞机公司 | Cypher and Cypher II | | 柏林工业大学 | MARVIN Mark Series UAV | | 加州大学伯克利分校 | Ursa Major and Ursa Maxima | | 新南威尔士大学 | MAVstar | | 南加州大学 | AVATAR | | 滑铁卢大学 | Duct - fan UAV | | 美国海军研究实验室 | Dragon Warrior | | 雅马哈公司 | R50 and Rmax UAV Helicopters | #### 3. 微型旋翼无人机的基本硬件组件 构建无人机系统的核心是硬件平台的搭建。尽管微型旋翼无人机在尺寸、形状、有效载荷和应用目的上各不相同，但它们都具有相似的系统配置。一个完整的微型旋翼无人机系统通常由以下四个部分组成： 1. 无线电遥控（RC）旋翼机 2. 航空电子系统，用于收集飞行数据、执行自动控制律、执行任务导向的任务以及与地面站通信 3. 手动控制系统，由飞行员和无线操纵杆组成 4. 地面站系统，用于监控无人机的飞行状态并与航空电子系统通信 下面将详细介绍这些硬件组件。 ##### 3.1 RC 旋翼机 过去三十年来，RC 旋翼机发展迅速，市场上有数百种专业的业余直升机产品，拥有数百万的航空模型爱好者。尽管多旋翼 RC 飞行器越来越受欢迎，但单旋翼 RC 直升机仍然在市场和研究领域占据主导地位。单旋翼 RC 直升机通常具有更高的推重比、更低的阻力、更硬的旋翼和更激进的桨毂混合，因此具有更高的机动性，能够完成许多特技飞行动作，如倒飞悬停和扑动动作。 根据尺寸和实现方式，微型 RC 旋翼机主要可分为以下三种类型，其主要规格对比见表 1： | 规格 | 类型 I | 类型 II | 类型 III | | --- | --- | --- | --- | | 机身长度 | 2 - 4 m | 1.2 - 1.6 m | < 0.6 m | | 主旋翼跨度 | 2.5 - 4 m | 1.3 - 1.7 m | < 0.7 m | | 叶片数量 | 2 或 3 | 2 | 2 | | 飞行续航时间 | 60 - 360 分钟 | 15 - 40 分钟 | < 7 分钟 | | 空载重量 | 15 - 60 kg | 3.5 - 5 kg | < 1 kg | | 最大起飞重量 | 30 - 100 kg | 5 - 12 kg | < 0.5 kg | | 机身材料 | 铝或不锈钢 | 碳纤维或塑料 | 碳纤维或塑料 | | 动力源 | 柴油或汽油 | 硝基燃料或汽油 | 电池 | - **类型 I RC 旋翼机**：通常尺寸较大，旋翼跨度较宽，飞行续航时间长，有效载荷重。例如，雅马哈公司的 Rmax、ZALA Aero 公司的 ZALA 421 - 02、Schiebel 公司的 S - 100 和 Copterworks 公司的 AF25B。这类旋翼机可用于许多实际任务，如农作物喷洒和受害者监测。 - **类型 II RC 旋翼机**：是 RC 旋翼机的主流，主要用于业余爱好。市场上有数百个品牌的此类旋翼机，如 Thunder Tiger 公司的 Raptor 90 SE、Bergen RC 公司的 Observer Twin 和 Hirobo 公司的 Turbulence D3。虽然它们的性能不如类型 I 直升机，但由于尺寸合适、机动性好且成本较低，在业余爱好者和学术界的无人机研究项目中非常受欢迎。近年来，一些商业公司也采用这类旋翼机执行一些短续航任务，如航空摄影。 - **类型 III RC 旋翼机**：是最小且最新出现的一类，出现于过去十年。除了单旋翼直升机外，多旋翼直升机在这一类中也很常见，如 Align 公司的单旋翼 TREX 450、ESky 公司的同轴 Lama V4 和 Draganfly Innovations 公司的四旋翼 Draganflyer X4。它们尺寸超小、重量轻，非常适合在室内使用。 下面是微型 RC 旋翼机发展的 mermaid 流程图： ```mermaid graph LR A[早期尝试] --> B[业余直升机发展] B --> C[技术进步催生现代旋翼机] C --> D[类型 I 大型实用型] C --> E[类型 II 主流业余型] C --> F[类型 III 小型室内型] ``` ##### 3.2 航空电子系统 航空电子系统是微型无人机旋翼机的重要组成部分，其组件选择、系统设计和集成是研究的重点。以下是典型航空电子系统中关键组件的功能和特点。 1. **航空电子处理堆栈** 航空电子处理堆栈至少由一台计算机（如飞行控制计算机）和相关扩展板组成，用于实现以下基本任务： - 分析飞行信息 - 执行自动控制律 - 与地面站通信 - 记录必要的飞行数据 对于微型无人机，基于 PC/104(-plus) 的嵌入式单板计算机（SBCs）占据主导地位。PC/104(-plus) 是一种嵌入式计算机标准，模块标准尺寸约为 90 × 96 毫米，高度约 10 至 15 毫米，平均重量 100 克。它采用针 - 插座连接，适用于存在持续振动的旋翼无人机飞行环境，能在强干扰和振动下可靠采集数据。这种连接方式还为系统集成提供了高度兼容性，可轻松添加串口扩展板、模数转换板、电源调节板和帧抓取板等附加模块，无需重新配置系统。 目前，人们对实现手掌大小甚至手指大小的 SBCs 表现出浓厚兴趣，这些 SBCs 尺寸超小，处理速度为 40∼600 MHz，功耗通常小于 2 W，但这一趋势仍处于初步阶段。 2. **导航传感器** 导航传感器为自动飞行控制提供必要的飞行测量数据。在户外应用中，微型无人机广泛采用集成导航方案，将多个导航传感器组合使用，以获得最佳的导航精度和可靠性。一个完整的导航解决方案通常包括以下四个组件中的部分或全部： - **惯性测量单元（IMU）**：是一个包含三个加速度计和三个陀螺仪的传感器集群盒。加速度计沿严格正交轴安装，用于测量惯性加速度；陀螺仪沿相同正交模式放置，测量角速度。在微型无人机应用中，基于微机电系统（MEMS）的加速度计和陀螺仪因其低成本、超小尺寸以及足够的分辨率和精度而被广泛使用。然而，MEMS 基 IMU 通常存在积分误差、噪声和较大的测量漂移问题。 - **全球定位系统（GPS）**：在民用和军事领域广泛应用。大多数商用 GPS 接收器工作在 L1 频段（1.57542 GHz），提供的信息包括大地坐标系中的位置（约 3 米圆概率误差）、载具坐标系中的速度（精度约 0.5 米/秒）以及信息发送时间。通过采用差分 GPS（DGPS）和实时动态（RTK）导航等先进定位方法，位置和速度的精度可进一步提高到米级甚至厘米级，但需要一个固定的 GPS 基站来实现高精度测量。GPS 测量无漂移，通常作为周期性参考信号融入估计算法中。不过，GPS 接收器在能见度差的环境中易受影响，且更新率较低（通常为 1 至 4 Hz）。 - **磁力计**：是一种用于确定相对于地球磁极方向的导航仪器。在微型旋翼无人机系统中，磁力计通过测量磁场强度，为航向角提供初始参考和周期性校正。大多数商用磁力计基于 MEMS 技术，具有足够的分辨率（毫高斯级别）和采样率（高达 10 Hz）。在微型无人机的具体应用中，需要特别注意电磁干扰（EMI）屏蔽以及硬铁和软铁校准。 - **复杂的估计算法**：几乎所有商用导航传感系统都集成了一些估计算法，以提高测量精度，克服欧拉角不可测量、GPS 位置采样率不足和测量漂移等问题。扩展卡尔曼滤波器（EKF）技术是商用产品中最常用的估计算法，可在独立的数字信号处理器（DSP）或飞行控制处理单元上执行。 3. **故障安全伺服控制器和无线链路** 故障安全伺服控制器用于驱动伺服执行器，并实现手动控制和自动控制模式之间的实时平滑切换。大多数微型无人机旋翼机都配备了该控制器，以显著提高飞行安全性。 无线链路用于航空电子系统与地面控制站之间的通信和数据交换。基本的无线通信配置是在航空电子系统和地面站分别配备一对无线模块，用于飞行数据下行链路和命令/轨迹上行链路。在一些项目中，还会使用额外的无线模块来满足特殊需求，如传输基于 GPS 的校准信号。 以下是航空电子系统各组件关系的 mermaid 流程图： ```mermaid graph LR A[航空电子处理堆栈] --> B[导航传感器数据处理] B --> C[执行控制律] C --> D[故障安全伺服控制] D --> E[控制 RC 旋翼机] A <--> F[无线链路与地面站通信] B --> G[记录飞行数据] ``` ##### 3.3 手动备份 原则上，功能齐全的无人机不需要手动备份。但出于安全考虑，大多数现有的无人机系统仍然保留了手动备份，并且手动控制通常具有比自动飞行控制系统更高的控制权限。手动控制可以通过 RC 操纵杆或直接通过地面站操作来实现。 综上所述，微型旋翼无人机凭借其独特的优势和不断发展的技术，在多个领域展现出了巨大的应用潜力。从其发展历史来看，技术的进步推动了无人机从简单的模型向复杂的自主系统转变。在硬件方面，RC 旋翼机的不同类型满足了多样化的应用需求，而航空电子系统的不断优化则提高了无人机的飞行性能和安全性。手动备份的存在进一步保障了飞行过程中的可靠性。随着技术的持续发展，微型旋翼无人机有望在更多领域发挥重要作用。