微型无人机飞行与研究读书报告
【摘要】：无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。现现如今大多数的无人机是用于军方；无人机用途广泛，成本低，效费比好；无人员伤亡风险；生存能力强，机动性能好，使用方便，在现代战争中有极其重要的作用，在民用领域更有广阔的前景。华东理工大学在微型无人机方面有着较为成熟的研究，本读书报告着眼于短学期创新实践对于无人机飞行研究的理解和收获。
【关键字】： 微型无人机 发展 技术
ABSTRACT:
The UAV is a radio remote control apparatus or its program control device controlled unmanned aircraft. Blind now most of the UAV is used for the military.The UVA is widely used as well as low cost, cost-effective good. It is no casualties risk,strong survival ability, good maneuvering performance, convenient use and has the extremely important role in modern war, in the civilian fields more broad prospects. East China University of Science and Technology has a more mature research on mini UAV, this book reports focus on short term innovation practice for the research of the mini UVA.
KEY WORD: Mini UVA Develpment Technology
目录
1. 概述
1.1 无人机发展概述
1.2 国内外无人机发展概况
1.3 国外微型无人机发展水平
1.4 国内无人机发展水平
1.5 本文主要内容
2. 微型无人机设计方法和要求
2.1飞机起飞重量和翼载荷
2.2电池的比能量和比功率
2.3飞机的功率重量比
2.4总体参数确定过程与参数权衡
3．微型无人机的技术概况
3.1动力问题
3.2不同的空气动力学问题
3.3飞行控制
3.4通信系统
3.5侦查传感器
4．微型自控飞行器飞行操作训练要求内容
4.1飞行训练模型机概况
4.2模型机构造及技术内容
4.3 实际操作飞行过程
5．微型无人机实际导航飞行
5.1GPS导航
5.2新型组合导航系统
6．参加学习体会
7．结束语
8．参考文献
一、概述
1.1无人机发展概述
无人机最早的开发是在一战后，并在二战中无人靶机用于训练防空炮手。
第二次世界大战之後将多於或者是退役的飞机改装成为特殊研究或者是靶机，成为近代无人机使用趋势的先河。随著电子技术的进步，无人机在担任侦查任务的角色上开始展露他的弹性与重要性。譬如在越战期间，美国曾经使用大量的无人机对高价值或者是防御严密的目标进行侦查的工作，如此一来可以减少人员的伤亡或是被俘虏的风险。
1.2国内外无人机发展概况
1982年以色列航空工业公司(IAI)首创以无人机担任其他角色的军事任务。在加利利和平行动（黎巴嫩战争）时期，侦察者无人机无人机系统曾经在以色列陆军和以色列空军的服役中担任重要战斗角色。 以色列国防军主要用无人机进行侦察兵，情报收集，跟踪和通讯。1991年的沙漠风暴作战当中，美军曾经发射专门设计欺骗雷达系统的小型无人机作为诱饵，这种诱饵也成为其他国家效彷的对象。
但在20世纪晚期之前， 他们不过是比全尺寸的遥控飞机小一些而已。美国军方在这类飞行器上的兴趣不断增长，因为他们提供了成本低廉，极富任务弹性的战斗机器，这些战斗机器可以被使用而不存在机组人员死亡的风险。最初的一代主要以侦察机为大宗，一些无人机已经装备了武器（例如RQ-1捕食者装备AGM-114地狱火空对地导弹）。由无人机担任更多角色的军事预想，最初是轰炸和对地攻击，空对空战斗，飞行员最后一块领域。 装备有武器的无人机被称为无人战斗机飞机（UCAV）。
美国军队曾经购买和自制先锋无人机在对伊拉克的第二次和第三次 海湾战争中作为可靠的系统。
我国无人机起步虽然较晚，但是发展较为迅速。例如，我国现役的无人机有长空一号无人机 、长空二号无人机、无侦五无人机、无侦九无人机、ASN-206无人机等。
1.3国外微型无人机发展水平
为了适应未来战场的需要，目前各军事强国都在极力发展无人机以便主宰未来战场。其中，还要属美国走在世界前列：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。
以色列飞机工业公司的“蚊1”式无人机的研制始于20##年，2003 年1月1日首次飞行。以色列飞机工业公司目前致力于微型无人机推进装置、电池以及技术模型的研究，旨在提高“蚊”式无人机系统的性能。近期内还要利用现行飞机的空气动力特性解决低速度条件下的机动性能问题。
日本在这方面也有着极大地发展进程：小型化直升机目前已经出现，其中包括日本精工爱普生公司研制的 “微型飞行机器人” 样机，是世界最小的无人驾驶直升机，质量只有9g，高度仅为 2.8cm
欧洲各国也在发展卫星无人机方面有着很大的建树，欧洲航空航天防务多尼尔公司生产的Do-MAV无人机质量约510g，翼展42cm，续航时间超过30分钟，法国和英国已对该机进行演示论证。英国航空航天系统公司对“微星”微型无人机进行了进一步的研制。“微星” 微型无人机为三角翼平台，续航时间超过20分钟。 德国的EMT公司已研制出2种微型无人机，即“扇风机”垂直起降旋翼无人机和“天皇”固定翼手持发射无人机。“扇风机”无人机执行任务半径超过500m，续航时间超过15分钟，起飞质量约750g。“天皇”无人机具有类似的特性，但起飞质量约为500g。
各个国家和地区都在对微型无人机的研究有着不同程度的研究，因此，我们可以发现微型无人机的发展都得到了各国的重视。
1.4我国微型无人机发展水平
我国虽然起步较晚，但是在这方面的发展有着逐步的前进。我国的微型无人机的发展和应用不仅在军事方面有着较大的突破，在民用方面也有这种大的进步。20##年4月18号，据中国科学技术部国家遥感中心获悉，由该中心组织建设的全国轻小型无人机遥感系统信息库已正式上线运行，旨在方便广大用户深入了解中国无人机遥感技术的服务水平和轻小型无人机遥感系统的生产能力，进一步推动轻小型无人机遥感技术的产业化发展。
1.5本文内容
本文基于当今世界微型无人机的发展情况，以老师上课的PPT内容为基准，对微型无人机的设计方法和技术要求进行学习和研讨。并且对飞机模型飞行记录日常的飞行模式；并且查找资料研究有关导航飞行的有关情况进行学习。
二、微型无人机设计方法和要求
小型电动无人机以电力为能源，起飞重量大多在几公斤范围内，可称作Mini-UVA，采用手抛起飞或气动弹射起飞，回收方式主要为滑降或深失速迫降，具有清洁、便于储存运输和使用方便的特点。飞机的控制距离在10Km左右，可以完成彩色图像实时传输等任务。起飞重量在几公斤的Mini-UVA同称作Micro-UVA的微型无人机相比在起飞重量、尺度上要高一个数量级。但Mini-UVA是目前唯一投入实际应用的小型无人机，同时技术的进步，包括在微电子技术，微机电技术等方面的进步，使得Mini-UVA具有越来越强的功能，是目前无人机设计研究领域的重要方向之一。主要代表机型包括美国的“指针”，“龙眼”等机型。
美国环境航空公司研制的“指针”由于在海湾战争中的出色表现而获武器装备质量金奖。在民用和科学研究方面，小型电动无人机没有任何污染，不需要燃烧氧，很适合大气环境采样，甚至于外星大气层的探测等，例如关于火星大气层的探测。电池的比能量比功率低，电池在不同放电条件下具有不同的比功率，比能量也会发生相应的变化等，使得小型电动无人机在总体参数确定方法和参数的选择上，和以活塞式发动机为动力的无人机相比，具有不同的特点。
基本的设计要求有飞机起飞重量、电池的比能量和比功率、飞机的功率重量比和翼载荷和总体参数确定过程与参数权衡四种。
2.1飞机起飞重量
小型电动无人机的起飞重量由下式表达：
公式中，Wt是飞机起飞重量。电动无人机在飞行过程中电池重量W3不发生变化，因此飞行重量总是等于飞机起飞重量。W1是结构重量，W2是动力装置重量。W4是航空电子与任务设备重量，这部份重量在设计中是固定的。
2.2电池的比能量和比功率
在电池重量系数的计算中需要在设计飞行时间下电池的比能量或比功率。电池在一定温度和放电深度条件下，不同放电倍率时电池的实际比能量和平均比功率是不相同的。无人机飞行寿命在几十个架次，同时一架飞机可以配备多组电池，所以电池的寿命及循环次数对实际比能量和平均比功率的影响等不是考虑的主要方面。可以适当采用较高的放电深度，同时在保证电池安全工作的条件下可以使用较高的放电倍率。小型电动无人机目前选用的电池包括Ca-Ni电池、MH-Ni动力电池、Li-ion动力电池，Liso2电池等。Ca-Ni电池、MH-Ni动力电池具备高倍率放电特性，可提供高的比功率，但比能量相对较低。Li-ion动力电池，Liso2电池等具有高比能量，但放电倍率较低，限制了电池的比功率。
2.3飞机的功率重量比
在飞机性能指标的要求下，通过对飞机的功率重量比与翼载荷的约束分析，可以确定计算动力装置、电池重量系数所需的飞机功率重量比，同时也获得相应的翼载荷。考虑到电动飞机的使用情况，选择飞机最小失速速度、爬升率、等高度稳定盘旋、巡航飞行速度等指标来确定飞机的功率重量比与翼载荷。
2.4翼载荷和总体参数确定过程与参数权衡
小型电动无人机的总体参数确定过程：
（1）电动飞机草图
（2）估算飞机极曲线
（3）在设计飞行时间条件下，通过电池实际比能量和平均比功率曲线确定电池在飞机巡航飞行时的实际比能量和平均比功率。
（4）在飞机设计巡航速度、爬升率等条件下，通过飞机功率重量比与翼载荷约束分析选定飞机最大功率重量比、巡航功率重量比和翼载荷。
（5）由步骤（3）和（4）得出的结果计算出动力装置重量系数f1、电池重量系数f2。确定结构重量系数f3的值，例如0.3。航空电子与任务设备重量W4在设计中是已知的，故可由公式计算出飞机的起飞重量Wr
飞机总体参数的权衡包括设计权衡、性能指标权衡等内容。在满足一定任务指标的初步方案基础上，改变飞机的翼型、平面几何参数、功率重量比、翼载荷等参数，通过设计权衡可以获得起飞重量和外形尺寸合适的优化方案。
事实上电动无人机的主要问题是电池比能量比功率低，比能量影响飞机的续航时间，比功率影响飞机的飞行速度、爬升率等指标，电池性能对飞机的性能指标有很强的约束，需要考虑在电池性能约束下的性能指标权衡。
三、微型无人机的技术概述
3.1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。因此，在对发动机的选材上是要不断更新的新型材料的。能够保证满足飞行条件的基础上携带保证质量的电机的前提下，选择最轻质的优质的材料。
3.2不同的空气动力学问题
由于尺寸小速度低，微型无人机的工作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。
3.3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飞行，要采用重量轻、功率低的GPS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。
现在随着控制科学和计算机科学的不断发展，基于专家的PID控制和基于模糊的PID控制都在不断的发展，也为飞行控制提供了新的领域研究特性。
3.4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。
微型无人机作战环境主要在峡谷和城市建筑物之间，这意味着微型无人机的使用往往是非直视的。微型无人机空中飞行时需要与操作人员保持通信联系，但由于体积、质量的限制，目前只能采用微波通信方式。尽管微波可传输大量数据，足够进行电视实况转播，但却无法穿透墙壁，这是当前急需解决的问题。对于非视线数据传输，目前已有了一系列的技术和方案，其中之一就是把大量较大的无人机部署到所需区域的上空，以提供整个网络所需的网络连通性，并实时传送信息。 卫星通信是处理非视线数据传输的另一种方式，但存在电源消耗过大的问题，并且还需要空中的通信中继站才能与网络连通，中继站可以是另一架飞机或者卫星。
如果微型无人机不在操作者的控制之下飞行，那么其自主能力是至关重要的。目前全球定位系统的导航系统已经小型化到适于微型无人机使用的尺寸，并且已经进行了试验，但离自主飞行所需的水平仍有一定的差距。微型无人机要超出按预编程序飞行的限制，需要有一定程度的自主性，以使无人机系统可以完全独立飞至所需地域后收集数据，然后将数据传给作战单位或网络。这一点目前还做不到。微型无人机自主性的发展对通信带宽和能量提出要求。传输的数据越多，需要的能源消耗越多，需要的无线电频谱也越多。
3.5侦查传感器
要想在战场上实际应用，例如航拍，我校的微型无人机的成功试飞的一次空中任务就是航拍。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。
四、微型自控飞行器飞行操作训练要求内容
4.1飞行训练模型机概况
学校金国建老师提供飞行训练所用的航模模型是火鸟403LS型号航模。
4.2模型机构造及技术内容
本次训练选用火鸟403电动遥控飞机，该模型飞机结构、性能简单介绍如下：
（一）机翼
上单翼，双折上反角，凹凸翼型，具有良好的横侧安定性和滑翔性能。
（二）尾翼
采用V字型尾翼，左右尾翼后面各设一个操纵舵面。斜置的V字型尾翼具有方向安定性和俯仰安定性双重作用，V字型尾舵则具有方向和俯仰双重操纵作用。各向安定性和操纵力的大小比例，取决于尾翼的上反角度。V字型尾翼的左右翼夹角，一般在110°左右。
（三）机身
由塑料机头、碳素尾杆插接组成。机头具有良好的抗撞击强度，机头舱内安置遥控接收机、伺服舵机、电源和动力机，机头后上方是高架机翼翼台，用橡筋绑扎固定机翼。模型重心远远低于机翼位置，增加模型的横侧安定性。接收天线和尾舵操纵线，均从尾杆中穿引到机身后端。尾杆后端套接V字型尾翼翼台，用两个螺钉栓接尾翼。
（四）起落架
2mm直径弹簧钢丝弯制，两个橡塑轮胎小轮，可在地面滑跑起飞。
（五）动力装置
增强型380直流电机，塑料双叶推进式螺旋桨，使用7.2V900mah镍氢电池组电源，全动力持续时间约6分钟。在5级风力时也能顶风飞行。
（六）遥控系统
采用三通道比例遥控设备，分别控制电机调速和左右尾舵。
发射机背面左侧的直线滑动操纵钮，是电机调速操纵钮。向右推移，为加速，向左到底，是电机关车位置。
发射机正面，设左右两个摇杆。右杆左右摇动，操纵飞机左右转向。左杆前推后拉遥动，操纵飞机低头、抬头俯仰转动。
因为是比例遥控设备，所以电机可以实现无级调速，尾舵偏转角度和相应摇杆的操纵幅度成比例对应关系，摇杆稳定停在任何位置时（称为稳杆），舵面也固定在某一对应的偏转角位置。在飞行操纵时，要充分利用设备的这一特性，对模型飞机实施精确到位的控制。设备的有效遥控距离500米左右。
该设备和同类普及型电动模型遥控设备相比，设计上的独到之处是，发射机采用三种不同的开机方式，可以得到三种操纵模式。厂方把三种模式命名为初学模式、普通模式和高手模式。
直接打开发射机电源，进入普通模式。操纵方向摇杆时，尾舵一个向上，另一个不动，单舵提供转弯力矩和抬头力矩。这就是有自动拉杆补偿的转弯操纵模式，可以有效避免飞机螺旋，实现安全转弯。
开发射机电源前，把升降摇杆向后拉到底，开机后，继续保持拉杆2秒以上，进入初学操纵模式。在这种模式下，操纵方向杆时，不但有自动拉杆补偿，而且在动力工作时，舵面的偏转幅度自动减小一半，从而进一步减小转弯力矩。这种模式是针对初学者飞行时最容易发生的操纵粗暴、摇杆量过大的倾向而设计的，使用这种模式，即使把方向杆打到底，模型也不会进入螺旋，转弯非常安全。当然，在这种模式下，模型的转弯半径比较大，方向操纵性变差。在大风条件下，建议不要使用这种模式。
开发射机电源前，把升降摇杆向前推到底，开机后，继续保持推杆2秒以上，进入高手操纵模式。这种模式，顾名思义是为熟练操纵者设计的。在这种模式下，取消了自动拉杆补偿功能，操纵方向杆时，左右尾舵一上一下反向偏转，双舵提供转弯力矩，使模型具有良好、灵敏的方向操纵性，可以实现小半径转弯。
多模式的操纵功能设计，既使初学者能够安全练习飞行，又使飞行高手能够尽兴，拓宽了一架飞机的适飞范围。火鸟403电动遥控模型飞机优良的设计和飞行性能，把它作为我们遥控模型飞机入门训练的首选机种，是非常合适的。
4.3 实际操作飞行过程
五、微型无人机实际导航飞行
5.1GPS导航
现在基本的微型无人机控制大多使用GPS导航控制。GPS是一种借以空间卫星的无线电导航和定位系统，借助21颗(外加3颗备份)人造卫星，能为世界上任何地方，包括陆地、空中、海上甚至外层空间的用户全天候、全时间、连续地提供精确的三维位置、三维速度以及时间信息，可以对目标进行动态定位。
GPS自主导航系统主要由GPS定位系统和导航系统组成，其导航原理为：预先给飞机输入待飞航线，在飞行过程中GPS定位系统给出飞机当前的位置和速度，再由导航系统计算出飞机和理论航线的偏差，结合飞行速度计算出飞机的水平控制律，使飞机按预定航线飞行。
GPS定位的基本原理是：卫星不问断地发送自身的星历参数和时间信息．用户接收到这些信息后．经过计算求出接收机的三维位置、TY向以及运动速度和时间消息。一般情况下，GPS接收机接收到1颗卫星的信号，便能确定出时间；若接收到3颗卫星信号，便能确定出准确的二维信息(经度和纬度)；而接收到4颗卫星的信号，便可实现三维定位(经度、纬度和高度)。
5.2新型组合导航系统
当今，随着优秀的控制算法的提出，有很多新的微型无人机导航算法，例如新型的基于专家PID算法的组合导航控制算法，卡尔曼滤波器组合导航系统。虽然这些先进系统有着其特定的优点，但是在可操作性上不如GPS系统方便，之行也较为容易出错，因此新型的控制算法上还有这进一步的研究。
六、参加学习体会
通过这次的学习，在了解微型无人机的发展情况的同时，能够对UVA的技术和设计方面有一定的了解。也可以看到国内外的先进无人机的发展情况，看到我校在微型无人机方面所取得突破性进展。收获很多，丰富了课堂生活，开拓了视野。
七、结束语
随着科技的不断发展，无人机技术已经向着日益成熟的方面发展，已经逐渐向隐形无人机发展、向空中预警发展、向空中格斗发展。但是民用的微型无人机发展还有待进一步提高。
通过欣赏我校的微型无人机航拍视频，体会到了微型无人机在我国民用中的发展前景，相信在不断地努力下，微型无人机在民用方面定会取得的重大突破，造福于民。
八、参考文献
1.小型和微型无人机的气动特点和设计，朱自强，王晓璐，吴宗成，陈泽民 ，《航空学报》，20##年03期
2.小型无人机水平导航控制研究高金源，屠巴宁 ，《飞行力学》，20##年第4期
3.小型无人机自主飞行控制系统的实现陈天华，郭培源 ，《航天控制》，20##年05期