微型无人飞机资料课件.ppt

1、 MAV MAV的的尺寸尺寸15cm15cm，现有技术水平只能达到，现有技术水平只能达到20-40cm20-40cm左右；左右； MAV MAV可以实现超视距飞行；可以实现超视距飞行； MAV MAV可以完成侦察、危险品取样等任务；可以完成侦察、危险品取样等任务；微型飞行器关键技术微型飞行器关键技术飞飞行行器器主主要要技技术术指指标标气气动动布布局局设设计计低低雷雷诺诺数数空空气气动动力力学学部部件件微微型型化化微微型型动动力力源源空空气气动动力力学学微微型型内内燃燃机机推推进进系系统统微微型型电电机机推推进进系系统统姿姿态态稳稳定定传传感感器器微微型型摄摄像像系系统统航航向向保保持持传传感感

2、器器遥遥测测数数据据传传送送器器上上下下行行数数据据电电台台地地面面站站综综合合信信息息显显示示微微型型测测控控组组合合概概念念微微型型测测控控组组合合构构成成数数据据传传送送器器电电源源微微型型测测控控组组合合集集成成飞飞行行控控制制系系统统数数据据通通信信系系统统 修改次序、动力最后，修改次序、动力最后，轻型结构下移轻型结构下移超轻型机体结构超轻型机体结构 微机电技术微机电技术（MEMSMEMS技术）技术）与与MEMSMEMS相结合相结合的减阻、增稳技术的减阻、增稳技术先进结构设计技术先进结构设计技术高效推进系统高效推进系统低雷诺数低雷诺数空气动力学空气动力学先进控制导航技术先进控制导航技

3、术MAVMAV的一体化设计技术的一体化设计技术固定翼飞机固定翼飞机旋翼机旋翼机扑翼机扑翼机AeroVironmentAeroVironment公司公司技技术术指指标标“黑黑鸟鸟”翼翼展展（直直径径）15.24厘米起起飞飞重重量量60克续续航航时时间间22分钟飞飞行行距距离离16千米巡巡航航速速度度48千米/小时动动力力装装置置37克(电机+电池+减速器+螺旋桨)机机体体结结构构10克控控制制系系统统6克任任务务载载荷荷7克(黑白射像+传输)SandersSanders公司公司技术指标技术指标 “微星”“微星” 翼展翼展 15.24cm 续航速度续航速度 48km/h 续航时间续航时间 20mi

4、n 飞行距离飞行距离 5km 飞行高度飞行高度 3070m 功率功率 11W 动力源动力源 44.5g 有效载荷有效载荷 18g 隐身发动机隐身发动机 13.5g 机体结构机体结构 9g 起飞重量起飞重量 85g Black Widow Black Widow 中的中的MEMSMEMS器件器件Black Widow Black Widow 的器件参数表的器件参数表Black Widow 和和几几种种 MAV 的的机机载载设设备备组组成成、功功耗耗和和重重量量Black WidowMicroStarTF150电电动动机机+螺螺旋旋桨桨37g(包包括括锂锂电电池池和和一一个个 7g 的的 DC 电

5、电机机)7W/13.5g14.5g0.7g数数据据传传输输系系统统+天天线线2g(数数据据下下行行传传输输发发射射机机)4.5g(无无线线电电控控制制系系统统)2W/6.5g3.5(电电路路板板)59.5(接接收收机机)结结构构重重量量10g7g12电电池池13W/44.5g29微微处处理理器器+内内存存6g(控控制制系系统统)0.6W/2.5g照照相相机机+镜镜头头黑黑白白：0.05W/2.2g彩彩色色：0.15W/1.7g0.35W/4g3.5导导航航+定定位位装装置置0.16W/5g舵舵机机0.5g0.2W/2g一一个个 5.4g(共共两两个个)技技术术指指标标 昼昼间间型型 昼昼夜夜型

6、型 续航时间 1 小时 飞行高度 100 米 侦察范围 1000 米 翼展 7.4 厘米 20.5 厘米 起飞重量 10.5 克 91.5 克 飞机结构重 2 克 12.5 克 动力电机和电池重 7 克 61 克 摄像机和电池重 1.4 克 17.9 克(红外) 通信系统重 0.11 克 0.1 克 总功耗 970 毫瓦 8475 毫瓦 动力系统功耗 870 毫瓦 飞控系统功耗 50 毫瓦 摄像机和通信系统功耗 25 毫瓦 摄像机镜头口径 0.26 厘米 摄像机两个方向视场角 40 度 16 度 摄像机角分辨率 0.7 弧度 1.3 弧度 摄像机拍摄速度 每两秒 1 幅 每秒 2 幅 机载双向

7、信息传输通信系统 0.7 厘米半波长天线+高集成发射机+高集成接收机 地面控制站 12.7 厘米碟形天线+自动跟踪接收机+导航计算与显示计算机; 监测飞行器相对地面控制站的方位、俯仰角、距离； 供控制人员对飞行器进行控制和选择拍摄对象。 NRLNRL美国海军研究实验室美国海军研究实验室技术指标 超小型干扰机 翼展 15.2420.32cm 重量 50100g 飞行速度 32.1864.36km/h 续航时间 20min 有效载荷 15g 技术指标 “微蝙蝠” 翼展 15.24cm 重量 10.6g 飞行时间 58s 飞行距离 46m 扑翼频率 20Hz 动力动力 镍镉电池镍镉电池 重量仅重量仅

8、0.40.4克，钛合金骨架克，钛合金骨架 厚度仅厚度仅250250微米；微米； 机翼骨架采用钛合金制造，机翼骨架采用钛合金制造， 薄膜采用聚对二甲苯制造薄膜采用聚对二甲苯制造“微星微星”的组成及机载电的组成及机载电子设备的功耗和重量子设备的功耗和重量名称名称功耗功耗/ /重量重量名称名称功耗功耗/ /重量重量电动机电动机+ +螺旋桨螺旋桨7W/13.5g7W/13.5g微处理器微处理器+ +内存内存0.6W/2.5g0.6W/2.5g数据传输系统数据传输系统+ +天线天线2W/6.5g2W/6.5g照相机照相机+ +镜头镜头0.35W/4g0.35W/4g机身机身7g7g导航导航+ +定位装置

9、定位装置0.16W/5g0.16W/5g电池电池13W/44.5g13W/44.5g舵机舵机0.2W/2g0.2W/2g 国外国外MAVsMAVs的的关键基础技术的的关键基础技术 MEMS机翼和机体，机翼和机体，如灵巧蒙皮、如灵巧蒙皮、MEMS附面层控制系统附面层控制系统 基于基于MEMSMEMS的控制的控制导航系统，如微型导航系统，如微型自动驾驶仪自动驾驶仪 仿生在仿生在MAVs中的应用中的应用FlouridaFlourida大学基于大学基于MEMSMEMS技术的附面层控制系统技术的附面层控制系统 在机翼上表面设置基于在机翼上表面设置基于MEMS的附面层控制系统，可控制附面层气的附面层控制系

10、统，可控制附面层气流的转唳和分离，能降低阻力、提高飞机抗风能力；流的转唳和分离，能降低阻力、提高飞机抗风能力； 加装加装MEMSMEMS智能蒙皮可实现可控的气动弹性剪裁，从而进一步提高飞智能蒙皮可实现可控的气动弹性剪裁，从而进一步提高飞行性能，尤其是在突风环境下的抗风能力行性能，尤其是在突风环境下的抗风能力MEMSMEMS气泡用于改善飞机动力学特性（气泡用于改善飞机动力学特性（F16F16）麻省理工大学（麻省理工大学（MITMIT）基于）基于MEMSMEMS技术的技术的微型喷气式发动机原理微型喷气式发动机原理推力推力=11g =11g 涡轮前温度涡轮前温度=1600 K=1600 K小时耗油率

11、小时耗油率=16g/hr =16g/hr 发动机转速发动机转速=1.2x10=1.2x106 6RPMRPM发动机重量发动机重量=1g =1g 尾喷管排气温度尾喷管排气温度=970=970C C 雷诺数是流体惯性力与粘性力大小的对比，雷诺数大时，雷诺数是流体惯性力与粘性力大小的对比，雷诺数大时，惯性力为流体的主要表现，雷诺数小时，粘性力为流体惯性力为流体的主要表现，雷诺数小时，粘性力为流体的主要表现的主要表现低雷诺数下的机翼阻力很大，而最大升力系数很小，飞机低雷诺数下的机翼阻力很大，而最大升力系数很小，飞机 飞行性能很差飞行性能很差当雷诺数小于等于当雷诺数小于等于10105 5时，可认为是低雷

12、诺数范围，此时时，可认为是低雷诺数范围，此时 流体的粘性力作用非常明显流体的粘性力作用非常明显低雷诺数下的理论计算目前尚有不完善之处，例如湍流的低雷诺数下的理论计算目前尚有不完善之处，例如湍流的 计算，而风洞实验也变得十分困难，属于特种试验的范畴计算，而风洞实验也变得十分困难，属于特种试验的范畴为了克服低雷诺数带来的种种弊端，必须研究低雷诺数下为了克服低雷诺数带来的种种弊端，必须研究低雷诺数下 的附面层控制技术、湍流理论等的附面层控制技术、湍流理论等名称名称电压电压（V/节）节）容量容量mAh尺寸尺寸(mm3)机载机载应用应用重量重量(克克)生产生产单位单位锂离子电池锂离子电池（图（图1）7.

13、2170065x35x20控制控制125 手机电池手机电池（图（图2）3.695053x38x8通信通信31佳尼佳尼斯斯锂离子电池锂离子电池（图（图3）3.6400 动力动力14.5日本日本锂离子电池锂离子电池（图（图4）7.2 (2节合一节合一)40048x32x8控制控制通信通信 15.418所所包括发动机、电动机和电池，电动机和电池正在国内协作。包括发动机、电动机和电池，电动机和电池正在国内协作。江门江门MITMIT基于基于MEMSMEMS技术的微型喷气式发动机技术的微型喷气式发动机推力推力=11g =11g 涡轮前温度涡轮前温度=1600 K=1600 K小时耗油率小时耗油率=16g/

14、hr =16g/hr 发动机转速发动机转速=1.2x10=1.2x106 6RPMRPM发动机重量发动机重量=1g =1g 尾喷管排气温度尾喷管排气温度=970=970C C 3. 3. 新概念微型飞行器的研究新概念微型飞行器的研究 新型机翼的研制新型机翼的研制 仿生学在微型飞行器中的应用仿生学在微型飞行器中的应用 研究仿生蒙皮、智能致动器和扑翼飞行器等在研究仿生蒙皮、智能致动器和扑翼飞行器等在MAVS中中的应用，有望改善的应用，有望改善MAVS的气动效率。的气动效率。 研究新型机翼，提高飞机升研究新型机翼，提高飞机升阻比、增大飞机有效载荷，实现阻比、增大飞机有效载荷，实现MAV超低速、大攻角

15、飞行。可以超低速、大攻角飞行。可以通过控制，设法取代副翼等操纵通过控制，设法取代副翼等操纵面，实现滚转、转弯等机动和实面，实现滚转、转弯等机动和实现其他非常规机动飞行。现其他非常规机动飞行。 国内研究进展国内研究进展国内研究进展已经取得的成果国内研究进展已经取得的成果 国内多数关于小飞机的报道仍是航模式的视距内遥控，国内多数关于小飞机的报道仍是航模式的视距内遥控，性能不佳，不能执行特定任务，离实用化有很大距离，性能不佳，不能执行特定任务，离实用化有很大距离，还不能算真正的还不能算真正的MAVsMAVs。目前存在的主要问题目前存在的主要问题未充分应用未充分应用MEMSMEMS技术技术, ,以进行

16、飞行控制、提以进行飞行控制、提高飞机性能、降低高飞机性能、降低设备重量设备重量未深入进行低雷诺数空气未深入进行低雷诺数空气动力研究，有待发掘飞机动力研究，有待发掘飞机性能的潜力性能的潜力未研制基于未研制基于MEMSMEMS的图象的图象传输、遥测遥控、导航和传输、遥测遥控、导航和发射回收等子系统发射回收等子系统我国我国MAVsMAVs的研究成果（一）的研究成果（一）- - 研制了研制了1010余架余架MAVsMAVs样机样机具有国内同类具有国内同类MAVsMAVs中中最小的外形尺寸，最小的外形尺寸，直直径径2020cmcm，重量，重量60g60g； 采用性能优化后采用性能优化后的高效螺旋桨；的高

17、效螺旋桨；飞行时间飞行时间1111分钟分钟, , 航程航程7 7公里，翼展公里，翼展300mm300mm，重量，重量150g150g采用优化设计采用优化设计的机翼翼型，的机翼翼型，提高了飞机的提高了飞机的飞行性能飞行性能 开展了电动机为动开展了电动机为动力的力的MAVsMAVs的研制，航的研制，航程程2400m2400m，起飞重量，起飞重量154g154g，翼展，翼展380mm380mm清华大学清华大学MAVsMAVs的研究成果的研究成果 利用利用MEMSMEMS器件实现器件实现MAVsMAVs的示教再现和机载计算机控制飞的示教再现和机载计算机控制飞行行, ,实验了超视距飞行实验了超视距飞行;

18、 ;我国我国MAVsMAVs的研究成果（二）的研究成果（二）- - 计算机控制飞行计算机控制飞行00.511.522.533.5154107160213266319372425478531584油 门副 翼升 降 舵方 向 舵00.511.522.533.511012013014015016017018019011001油门副翼升降舵方向舵ABAB我国我国MAVsMAVs的研究成果（三）的研究成果（三）-基于基于MEMSMEMS技术的机载设备技术的机载设备微型高度计重微型高度计重7g7g微型微型GPSGPS接收机重接收机重8g8g射频发射机射频发射机摄像头摄像头我国我国MAVsMAVs的研究成

19、果（四）的研究成果（四）-图象射频发射机和微型摄像头图象射频发射机和微型摄像头我国我国MAVsMAVs的研究成果（五）的研究成果（五）-地面测试设备地面测试设备课题研究内容课题研究内容1. 1. MAVsMAVs理论和技术研究报告；理论和技术研究报告；2. 2. 创新微型飞行器、机载控制系统、创新微型飞行器、机载控制系统、微小型测试系统等原理样机；微小型测试系统等原理样机；3. 3. 在微型飞行器上应用的摄象、通讯、在微型飞行器上应用的摄象、通讯、自主飞行控制系统成果。自主飞行控制系统成果。今后研究发展方向今后研究发展方向进行低雷诺数空气动力学基础进行低雷诺数空气动力学基础研究，为优化机翼几何

20、参数提研究，为优化机翼几何参数提供理论基础供理论基础设计基于设计基于MEMS技术的附面层技术的附面层控制器，开展控制器，开展MEMS智能蒙皮气智能蒙皮气动弹性剪裁研究动弹性剪裁研究1. 1. 开展基于开展基于MEMSMEMS的微型飞行器理论基础研究的微型飞行器理论基础研究2. 2. 实现微型无人机的视距外飞行实现微型无人机的视距外飞行方案方案1：研制基于：研制基于MEMS技术的遥控、遥测和通信系统，技术的遥控、遥测和通信系统， 实现基于遥控遥测的仪表飞行，使实现基于遥控遥测的仪表飞行，使MAVs实用化实用化今后研究发展方向今后研究发展方向MAVMAV的实用化方案的实用化方案2. 2. 实现微型

21、无人机的视距外飞行实现微型无人机的视距外飞行方案方案2： 添加基于添加基于MEMS技术的微型控制器和智能蒙皮，技术的微型控制器和智能蒙皮， 实现附面层控制和控制增稳，使实现附面层控制和控制增稳，使MAVs智能化智能化MEMSMEMS飞控芯片飞控芯片MEMSMEMS智能蒙皮智能蒙皮MEMS传感器传感器和作动器和作动器今后研究发展方向今后研究发展方向MAVsMAVs的智能化方案的智能化方案今后研究发展方向今后研究发展方向3. 3. 开展开展微型飞行器制造及测试基础技术研究微型飞行器制造及测试基础技术研究 应用模块化的设计理论和方法，探讨机电集成的关应用模块化的设计理论和方法，探讨机电集成的关键工艺

22、，选用轻型高强度材料，将集成的键工艺，选用轻型高强度材料，将集成的MEMSMEMS方位水平方位水平仪、微型导航系统、微型通讯系统和微型摄像头等机载仪、微型导航系统、微型通讯系统和微型摄像头等机载电子系统，以及动力系统等集成制造在机体内部，保证电子系统，以及动力系统等集成制造在机体内部，保证飞行稳定性和控制系统工具可靠性，研究微型飞行器的飞行稳定性和控制系统工具可靠性，研究微型飞行器的模具设计和制造技术。模具设计和制造技术。4. 4. 开展新概念微型飞行器的研究开展新概念微型飞行器的研究 新型喷气机翼的研制新型喷气机翼的研制 仿生学在微型飞行器中的应用仿生学在微型飞行器中的应用 研究扑翼机等在研

23、究扑翼机等在MAVS中的应用，有望改善中的应用，有望改善MAVS的气动效率的气动效率 研究喷气机翼，有望极大地提研究喷气机翼，有望极大地提高飞机升阻比、增大飞机有效载荷，高飞机升阻比、增大飞机有效载荷，实现实现MAV超低速、大攻角飞行，通超低速、大攻角飞行，通过喷口气流量的控制，有望取代副过喷口气流量的控制，有望取代副翼实现滚转、转弯等机动和实现其翼实现滚转、转弯等机动和实现其他非常规机动他非常规机动 技术难点：能够稳定工作技术难点：能够稳定工作15分分钟以上、且足以产生推力的气源钟以上、且足以产生推力的气源系统的研制。如：脉冲发动机系统的研制。如：脉冲发动机技术难点：超轻和高效的机翼和扑翼机构的研制技术难点：超轻和高效的机翼和扑翼机构的研制今后研究发展方向今后研究发展方向