图1：微型飞行器图2：微型直升机
命题教师：1.出题用小四号、宋体输入打印， 纸张大小为8K.
考 生：1.不得用红色笔，铅笔答题，不得在试题纸外的其他纸张上答题，否则试卷无效。2.参加同卷考试的学生必须在“备注”栏中填写“同卷”字样。3.考试作弊者，给予留校察看处分；叫他人代考或代他
人考试者，双方均给予开除学籍处理。并取消授予学士学位资格，该科成绩以零分记。
监测化学、核或生物武器，侦察建筑物内部情况。可适用于城市、丛林等多种战争环境。因为其便于携带，操作简单，安全性好的优点，可以在部队中大量装备。在非军事领域，配置有相应传感器的微型飞行器可以用来搜寻灾难幸存者、有毒气体或化学物质源，消灭农作物害虫等。
1.4主要特点
微型飞行器不同于传统概念上的飞机，它是MEMS （微机电系统）集成技术的产物。微型飞行器的姿态控制系统中的微型地平仪、微型高度计，导航系统中的微型磁场传感器和微型加速度计、微陀螺仪等，飞行控制系统中的微型空速计、微型舵机等，在微型飞行器上应用的微型摄像机、微型通讯系统等，都需要MEMS 技术的支持，以减少体积和重量，改善飞行器的性能。微型飞行器的动力——微型发动机也需利用MEMS 技术制造，所以说，微型飞行器除机身和机翼外，都需依靠MEMS 技术，甚至机翼也可以用MEMS 技术制造灵巧蒙皮，以控制飞行器的飞行姿态。
2 研究现状
从已有的研究情况看，大致可将微型飞行器分为两类：一类是以DARPA 定义为基础相应研制的15厘米左右的微型飞行器；另一类是尺寸更加微小的只有几个厘米或毫米大小的微型飞行器或微型飞行机器人。
根据发展情况，微型飞机主要有三大类别，分别是固定翼微型飞行器，微小扑翼机和微型直升机，以下列举几种：
（1） Aero Vironment 公司的“Black Widow ”
该微型飞行器采用固定翼飞行模式，外形类似于盘装飞碟。最大直径15厘米，由微电机驱动前置螺旋桨产生拉力，采用锂电池提供能源，微型飞控系统由计算机、无线接收器和三个微电机驱动的执行器组成。经试飞其留空时间为16分钟，最大飞行速度70公里/小时。设计人员目前正在为其添加必要的通信系统和导航设备，以使其更加具备实用要求。“Black Widow ”代表了目前为飞行器的较高技术水平。 （2） Lockheed Martin 公司的“MicroST AR ”
“MicroST AR ”也是一种采用固定翼飞行模式的微型飞行器，他的设计总重为85克，留空时间20分钟，未来将具备GPS 导航定位系统和摄像功能。Lockheed Martin 公司计划将“MicroST AR ”设计成为战场上前所未有的高效侦察工具。
图3： “Black Widow ”微型飞行器 图4：“MicroST AR ”微型飞行器 （3） Lutronix 公司与Auburn 大学合作研制的“Kolibri ”
该微型飞行器是一种旋翼飞机，能够垂直起降和悬停，其直径为10厘米，总重316克，有效负载约100克，可飞行时间30分钟，装有Draper 实验室研制的GPS 、加速度计和陀螺仪集成系统等，动力装置为D-STAR 公司提供的微型柴油发动机。旋翼微型飞行器与固定翼微型飞行器相比的最大优点是能够垂直起降和悬停，因此比较适宜于在室内等狭小空间或较复杂地形环境中使用。 （4） Caltech 的扑翼“MicroBat ”
“MicroBat ”是一种防生物飞行方式的扑翼微型飞行器，其机翼是通过模仿蝙蝠和昆虫的翅膀，并用MEMS 技术加工制作而成。该微型飞行器的研究人员通过大量实验研究了扑翼飞行方式的非定常空气动力学特征，并制作了一种轻型传动机构将微电机的转动转变为了机翼的扇动。飞行试验表明该微型飞行器目前使用电池作为能源可飞行5-20秒。
图4：“Kolibri ”微型飞行器 图5： “MicroBat ”微型飞行器 （5） 美国环境航空公司研制的“黑寡妇”微型飞机
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考 生：1.不得用红色笔，铅笔答题，不得在试题纸外的其他纸张上答题，否则试卷无效。2.参加同卷考试的学生必须在“备注”栏中填写“同卷”字样。3.考试作弊者，给予留校察看处分；叫他人代考或代他
人考试者，双方均给予开除学籍处理。并取消授予学士学位资格，该科成绩以零分记。
“黑寡妇”是由美国环境航空公司研制的圆盘形的微型飞机，飞机的全重，它的全机重量仅仅60克，其中，动力系统，动力系统包括电池，电机，减速器和螺旋桨37克，飞机结构重量10克，比例控制系统重6克，任务载荷，包括摄像机，传输系统7克。1993年3月22日，黑寡妇飞机创造了该类飞机的多项世界纪录。包括巡航时间22分钟，飞行距离16公里，巡航速度每秒12米，俯冲速度达到每秒20米。
图6： “黑寡妇”微型飞机
（6） 西北工业大学研究的微扑翼飞行器
该微扑翼飞行器有体积小、重量轻、成本低、隐身性和可操作性好等特点，经研 究采用特殊驱动机构。 其驱动机构的设计原则是： ① 能实现预定的运动规律；
② 尽可能简单轻巧，即满足需要 的情况下，重量和尺寸越小越 好；
③ 运动高效可靠。即运动 机构的效率要高，能量消耗要 少，且在高频的扑翼运动下机构不会失效。 其驱动机构特点：
(1)结构简单牢固。经数次试飞结构牢固可靠， 样机在扑翼频率20—30Hz 工况下，可持续无故障工作。胶粘剂应该慎重选用，若选用不当，可导致试飞时辅助元件脱落。 (2)质量和尺寸小。特征尺寸小于20mm ，重量轻，仅3．19，设计时充分考虑了机身总体重量，在 驱动机构的设计上在保证传动情况下尽量减少不必要 的结构，板材采用碳纤维。
(3)高效节能、传动效率高。两翼相位差最大值(△妒=3．096。)小于以前设计值6。，减小了 50％，提高了样机的稳定性和平衡性。 装配样机后多次进行实验(试飞)，初始飞出姿态良好，可持续飞行10～20s ，有望实现更长时间的可控飞行。
图7： “微扑翼飞行器
3 技术归纳
下面7条关键技术是归纳和总结出来的研究和发展微型飞行器所必须解决的问题，也就是说是我们面临的挑战。
第一条，就是低雷诺数的空气学问题。 第二条，高推重比的微型动力系统， 第三条，大容积重量比的结构设计技术。 第四条，飞行稳定性操纵性与控制技术。
第五条，弱功率信号下的超视距遥控导航信息传递技术。 第六条，多学科设计优化技术。
第七条，基于微机电（MEMS 技术）的加工与制造技术。
4 总结
微型飞行器由于其具有特殊的作用和低廉的价格，因此，发展微型飞行器和相关
的技术是客观需要的。这种需要使我们面临着许多技术上的挑战，这些技术上的挑战，既
涉及到空气动力学，推进系统，结构材料与设计等，传统的航空技术领域，又涉及到微机
电设计与制造等新型的学科领域，我们只有面对这些挑战，采取，科学求实的态度，去解
决这些问题，才能最终战胜这个挑战，并且实现技术上的又一次的飞跃。
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[10]孔宪光．面向行业CAPP的理论、技术与方法[D]．西北工业大学，2004．
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无人机 本文2007-08-02收到, 作者分别系海军航空工程学院讲师、副教授和助教 图1 微型蝙蝠飞行器 微型扑翼飞行器的现状及关键技术 郭卫刚 贾忠湖 康小伟 摘 要 微型扑翼飞行器是高新技术的产物,是当前国内外研究的热点。简述了微型扑翼飞行器目前的发展现状,提出发展微型扑翼飞行器的几项关键技术,并对微型扑翼飞行器的发展趋势进行了展望。 关键词 扑翼机 微型飞行器 微机电系统(ME M S) MAV(M icro A ir Veh icle微型飞行器)由于具有特殊的用途(如侦察、电子干扰、搜寻、救援、生化探测等)而倍受关注。根据美国国防高级研究计划局(DARPA)提出的要求,微型飞行器的基本技术指标是:飞行器各个方向的最大尺寸不超过150mm,续航时间20m i n~60m in,航程达到10km以上,飞行速度22k m/h~45km/h,可以携带有效载荷,完成一定的任务[1]。 按飞行原理的不同,MAV分为固定翼、旋翼、扑翼三大类型。固定翼布局有许多问题亟待解决,如升阻比相对较小,在低雷诺数状态下机翼不能提供足够的升力,遭遇突风难以保持稳定等。旋翼布局尽管能够垂直起降和悬停,但其飞行速度低,质量大,仅适宜于在比较狭小的空间或复杂地形环境中使用。而综观生物的飞行,无一例外都是采用扑翼飞行方式。同常规布局相比,扑翼布局仅用一套扑翼系统就可代替螺旋桨或喷气发动机提供推力;扑翼可以使MAV像昆虫和鸟类那样低速飞行、盘旋、急转弯甚至倒飞;扑翼下面可以产生一种涡流,这是扑翼飞行器飞行的必要助推力,扑翼飞行器可以通过自身机翼扇动产生的上下大气压差来飞行。微型扑翼飞行器具有一般航空飞行器无法比拟的机动和气动性能,与无人侦察机相比,具有以下优势:可以低速飞行,可以随意改变方向,可以悬停,还可以向后倒退。 1 研究现状 在DARPA的资助下,微型扑翼飞行器的研究得到了很大进展,主要有加州理工学院与加利福尼亚洛杉矶大学共同研制的微型蝙蝠(M icrobat[2]),斯坦福研究中心和多伦多大学共同研制的引导者(M en-tor),乔治亚理工研究院及其协作者研制的昆虫机(Ento m opter)。 1.1 微型蝙蝠 微型蝙蝠是最早的电动扑翼飞行器,其机翼是采用微电机系统(ME MS)技术加工制作而成的。通过质量轻、摩擦低的传动机构将微电机的转动变为机翼的扑动。 加州理工学院在DARPA的倡议下依据仿生昆 19 飞航导弹 2007年第12期
仿生扑翼飞行器的发展与展望 摘要：本文简要介绍了仿生扑翼飞行器的概念、特点及其历史，概述了仿生扑翼飞行器在国内外早期和当前的研究现状及未来的发展趋势。在此基础上，就目前研究中迫切需要解决的一些关键技术进行了讨论，并结合目前研究情况，对我国仿生扑翼飞行器的未来发展前景进行了展望。 关键词仿生；扑翼飞行器；微型飞行器；关键技术 Abstract：The concept，characteristics and usage of flapping-wing air vehicle are briefly introduced．The present research situation and future development trend of FA V are summarized． According to these，several key technologies of FA V are discussed．Taking into account the present situation .the future on the research of FA V in China is outlined． Key words：Bionics ; Flapping-wing air vehicle ; Micro air vehicle ; Key technology 1仿生飞行的历史与进展 1．1向鸟类学习 在中国两千年以前的航空神话和传说中，就有“人要是长着翅膀，就能在空中飞行”、“人骑着某种神奇的动物，可以飞行”等反映古人飞行理想和愿望的文字记载。多数昆虫长着一左一右两个或4个翅膀，他们都是飞行家，飞行技术非常高明。但因为昆虫比较小，翅膀的运动速度太快，不易被观察，在古人眼里，只认为鸟类是可以模仿的、最好的飞行家。传说中春秋时代(公元前770-前481)后期，鲁国著名的能工巧匠公输盘(有些史籍也记作“公输班”)研究并花费3年时间制造了能飞的木鸟，又名木鸢。如图所示 1．2实现飞行 1783年，法国蒙哥尔费兄弟发明热气球并载人飞行，开始了人类真正的空中航行。在人类利用轻于空气的航空器获得成功的 同时，也对重于空气的航空器一飞机进行探索和试验。英国的乔治．凯利(Cayley G)率先提出利用固定机翼产生升力的概念，他把鸟的飞行原理从上升和推进两种功能区别 开来，设计制造了能载人的滑翔机。1903 年莱特兄弟在滑翔机基础上加装自制内燃 机制成的“飞行者”1号试飞成功，持续时间59秒，标志着动力飞机飞行成功，开辟了人类的飞行新纪元，人类翱翔蓝天的梦想 得以真正实现。 1．3微型飞行器 1992年，美国国防高级研究计划局召开了关于未来军事技术的研讨会，第一次提出了微型飞行器MAY(Micro Air Vehicle)的概念，并提出其量级与昆虫及小鸟相似。从现有的研究情况看，微型飞行器按其飞行方式可分为传统的固定翼布局、旋翼布局和仿生扑翼式布局3类。固定翼式和旋翼式微型飞行器的研究迄今为止都达到了相当的水平。2000年8月，“Black Widow”原型机经过不断改进后，留空时间达到30分钟，最大活动半径为1.8km，最大飞行高度约235m，飞行重量为80克。旋翼微型飞行器因能垂直起降和悬停，比较适宜于在室内等狭小空间或较复杂地形环境中使用。回顾人类飞行的历史，研究者们重新认识到，纵观自然界的飞行生物，无一例外均采用扑翼的飞行方式，扑翼飞行是生物进化的最优飞行方式。于是人们又开始着眼于扑翼飞行器的研究。微型扑翼飞行器的机动性、灵活性及低能耗等方面可与蜻蜓、蜜蜂、或蜂鸟等飞行生物相媲美。经过近20年来研究者们的共同努力，微型扑翼飞行器在仿生学飞行机理、能
2005年9月系统工程理论与实践第9期 文章编号:100026788(2005)0920137205 微型飞行器空气动力学研究 李占科,宋笔锋,张亚锋 (西北工业大学航空学院,陕西西安710072) 摘要: 围绕与微型飞行器相关的低雷诺数空气动力学问题,进行了低雷诺数翼型气动特性的数值分析 研究、低马赫数低雷诺数流场数值计算方法研究、考虑扑翼结构弹性变形的气动特性估算方法研究、微 型飞行器气动特性估算的非定常涡格法研究和微型飞行器的风洞试验研究,取得的研究成果对微型飞 行器的发展具有重要的参考价值和指导意义. 关键词: 微型飞行器;雷诺数;扑翼;风洞试验 中图分类号: V27912 文献标识码: A Aerodynamics Research on M icro Air Vehicles LI Zhan2ke,S ONG Bi2feng,ZHANG Y a2feng (School of Aeronautics,N orthwestern P olytechnical University,X i’an710072,China) Abstract: In the paper,Based on the low Reynolds number aerodynamics of the micro air vehicles(M AVs),s ome researches were done.such as aerodynamics characteristic numerical analysis research on the air foil at low Reynolds numbers,numerical calculation method of low Mach low Reynolds numbers fluid field,estimation method research on aerodynamic characteristic of the aeroelastic flapping wing,unsteady v ortex method of aerodynamics characteristic estimation and wind tunnel test of M AVs.The results of this paper have im portant reference value and instructive meaning to the development of M AVs. K ey w ords: micro air vehicles(M AVs);Reynolds number;flapping wing;wind tunnel test 1 引言 近年来,微型飞行器作为一种新型的航空飞行器,在国内外形成了新的研究热潮.低速和小尺寸共同决定了微型飞行器的飞行雷诺数很低(105左右),这远低于传统飞行器(包括普通的无人驾驶飞机)的飞行雷诺数范围(106～108以上).微型飞行器必须在低雷诺数条件下仍能保持良好的气动性能,而这方面的研究目前尚处在探索阶段.本文主要围绕与微型飞行器有关的低雷诺数空气动力学问题,进行了数值计算和风洞试验等方面的研究,取得了具有一定参考价值的研究成果. 2 微型飞行器空气动力学研究 211 低雷诺数翼型气动特性的数值分析研究 微型飞行器外形尺寸小,速度低,基于微型飞行器尺寸的雷诺数也比较小,粘性效应相对强烈,流动易分离,准确求解这种低雷诺数的流场对湍流模型乃至整个数学模型都是一个极大的挑战.本研究针对低雷诺数问题,利用求解雷诺平均的NS方程,数值模拟了绕翼型的低雷诺数流动,分析了与低雷诺数流动有关的不稳定性.研究表明,分离流动都是不稳定的,会产生周期性的脱出涡.结合绕翼型的低雷诺数流动,对采用的计算模型进行了以下研究: 1)FNS方程与T LNS方程数值准确性的对比研究 分别采用FNS方程和T LNS方程计算了在条件:Ma=012,雷诺数Re=110×105,攻角α=1°时绕 收稿日期:2003207207 资助项目:总装气动预研项目(413130401)及国防基础科研项目(J1500C001)联合资助 作者简介:李占科(1973-),男,陕西岐山人,西北工业大学飞机系博士,主要从事与微型飞行器有关的研究.
仅供参考[整理] 安全管理文书 小型飞机库泡沫灭火系统的设计与施工 日期：__________________ 单位：__________________ 第1 页共4 页
小型飞机库泡沫灭火系统的设计与施工随着我国经济建设规模的扩大，民航系统执管大型客机的航空公司已达30家，都需要建筑飞机维修库，现结合山东太古飞机库的施工情况，谈一下小型飞机库泡沫灭火系统设计与施工中的几个问题。 根据飞机库停放和维修区的防火分区允许最大面积规定：I类飞机库30000m＾2；Ⅱ类飞机库5000m＾2；Ⅲ类飞机库3000m＾2。山东太古飞机库停放和维修区建筑面积为2770m＾2，属于Ⅲ类飞机维修库。此工程主要设置了固定式手控泡沫炮、半固定式泡沫枪、消火栓灭火系统，灭火剂选用3％AFFT水成膜泡沫液。 一、泡沫炮灭火系统 据飞机库设计规范，泡沫炮一次灭火泡沫混合液的连续供给时间不应小于10分钟，消防水连续供给时间不应小于30分钟。依据泡沫炮压力——流量曲线表查得：当泡沫炮进口工作压力为0．5—0．6Mpa时，流量为25L／s，故两门炮每次灭火所需泡沫浓缩液＝25L／s×2门 ×60S×10min×3％＝900（L），每次灭火所需消防用水量＝25L／s×2门×60S×（10×0．97＋20）／1000＝89．1m＾3。据产品说明书及实验实测数据，可保证两股射流同时到达飞机停放和维修区任一部位。 二、泡沫枪及消火栓灭火系统 据飞机库设计规范，泡沫枪一次灭火泡沫混合液的连续供给时间不应小于20分钟，消防水连续供给时间不应小于2h。依据泡沫枪压力——流量曲线表查得：当泡沫枪进口工作压力为0．5—0．6Mpa时，流量为4．0L／s，有效射程17M。当使用两支泡沫枪同时灭火时每次所需泡沫浓缩液＝4．0L／s×2门×60S×20min×3％＝288（L），每次灭火所需消防用水量＝4．0L／s×2门×60S×120min／1000＝57．6m＾3。机库 第 2 页共 4 页
微型扑翼飞行器机翼气动特性研究⒇ 杨淑利,宋文萍,宋笔锋,邵立民 (西北工业大学航空学院翼型叶栅空气动力学国防科技重点实验室,陕西西安 710072) 摘 要:依据微型扑翼飞行器产生升力和推力的机理,设计了一套能够快速、有效求得扑翼飞行器机翼气动特性的计算方法。计算程序通过Visual Basic和Fo rtra n语言混合编程来实现,核心部分是利用改进的片条理论方法估算扑翼机翼的气动性能。计算结果与在西北工业大学微型飞行器专用风洞中所进行的吹风试验结果吻合良好,证明了该方法的正确性和有效性。在此基础上,研究了不同机翼平面形状、不同展弦比、不同上下扑时间比对微型扑翼飞行器机翼气动性能的影响,这些参数对微型飞行器的设计有一定的指导和参考意义。 关 键 词:微型扑翼飞行器,片条理论,机翼,风洞试验 中图分类号:V211.3 文献标识码:A 文章编号:1000-2758(2006)06-0768-06 于20世纪90年代提出的微型扑翼飞行器通过机翼扑动不仅可以产生升力,还可以产生维持扑翼飞行的推力,取代了用螺旋桨或喷气式发动机作为推进器,因此气动效率较固定翼飞行器高出很多[1]。 在研制微型扑翼飞行器时,为了能快速、有效地估算机翼气动特性,本文发展了一套基于改进的片条理论[2]的扑翼气动力计算方法,计算程序是通过Visual Basic和Fo rtra n语言混合编程实现的。计算方法在应用片条理论的基础上,还综合考虑了结构弹性、涡尾迹、失速、翼剖面平均迎角和摩擦阻力等因素的影响。 采用本文方法能够求解扑翼机翼的平均升力、推力、输入和输出功率及推进效率等。所得计算结果和风洞吹风试验结果吻合良好,证明了本文方法的正确性和有效性。另外,本文还研究了机翼平面形状、展弦比、上下扑时间比对机翼气动特性的影响,这些参数对微型飞行器的设计有一定指导和参考意义。 1 机翼气动特性计算方法简述 应用改进的片条理论计算机翼的气动参数,首先,沿展向方向将机翼分成2n个翼剖面,在机翼扑动运动中的每一时刻,求出每个翼剖面的升力和推力,然后叠加得到整个机翼的瞬时升力和推力。 图1显示了第i个翼剖面所受的力和力矩示意图。机翼扑动轴为左右机翼对称轴,弹性轴为机翼的前梁,机翼随前梁的弯曲而弯曲,随其扭转而扭转。第i个翼剖面的弯曲和扭转用h i和θi表示。h i垂直于扑动轴,表示第i个翼剖面的位移;θi位于h i和扑动轴所组成的平面内,表示第i个翼剖面弦向与来流方向的夹角。首先要求得h i和θi运动参数,进而求得i段机翼的气动参数 。 图1 第i个翼剖面的力和力矩示意图 由图1可知 h i=(h0)i+h~i 2006年12月第24卷第6期 西北工业大学学报 J o urnal o f N o rthw estern Po ly technica l U niv er sity Dec.2006 V o l.24N o.6 ⒇收稿日期:2006-02-21 作者简介:杨淑利(1982-),女,西北工业大学硕士生,主要从事微型飞行器的研究。
仿生扑翼飞行器设计与制作 摘要：随着仿生学的发展和材料动力技术的不断进步，人类能更好的模仿生物的运动，向大自然学习，服务人类。像鸟一样的飞行是人类几千年的梦想，近几年科研人员在扑翼飞行器的研究和制造方面有了很大的发展，目前世界上已经出现了许多扑翼飞行器，但其仿生程度任然较低。通过学习和研究我们选用了对称的五杆机构来实现飞行器的机翼的动作，并按照飞行原理设计了飞行器的升力机构和推力机构，最后做出了实物，进行了飞行试验。 关键词：仿生;扑翼飞行器;五杆机构;空气动力学;飞行试验 Designing and producting of the flapping wing flight vehicle in bionics ABSTRACT: Along with the development of bionics and material power technology advances, mankind can better imitate biological movement, learning to nature and servicing human. Flying Like a bird is the dream of human for several thousand years, In recent years researchers Made great progress in the flapping wing flight vehicle research and manufacturing. There are already some kind of the flapping wing flight vehicles in the word recently, but the bionic degree lower still. With the studying and researching we choose the symmetrical five-bar mechanism to realize the action of the wing of the aircraft, According to the principle of fly. I design the lift institutions and thrust institutions. Finally I made the craft, and test it. KEY WORDS:Bionic; The flapping wing flight vehicle; Five-bar mechanism; Aerodynamics; Flight test
文章编号:1671-637Ⅹ(2007)06-0113-05 微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术 聂博文, 马宏绪, 王 剑, 王建文 (国防科学技术大学机电工程与自动化学院,长沙 410073) 摘 要: 微小型化是世界无人机发展的重要方向之一。对一种新颖的微小型四旋翼无人飞行器进行了介绍,综合了微小型四旋翼飞行器的概念和特性,然后主要从机构设计和飞行控制两方面介绍了世界微小型四旋翼飞行器的发展现状,详细叙述了小型四旋翼飞行器的发展技术路线。 在此基础之上,进一步分析了相关的关键技术问题,并对未来发展、应用前景作了展望。最后介绍了某微小型四旋翼飞行器研究进展情况。 关 键 词: 四旋翼飞行器; 微小型无人机; 微机电系统(ME MS); 飞行控制; 编队飞行中图分类号: V271.4文献标识码: A Study on actualities and critical technologies of micro mini quadrotor NIE B o-wen, MA Hong-xu, W ANG Jian, WANG Jian-wen (Co llege of Mechtronic&Automation,National University of Defense Technology,Changsha410073,China) A bstract: Micromation miniaturization is one of the most important trends of the world's UAVs.In this pa- per,a novel micro mini four rotor vehicle(quadrotor)was summarized.At first,the concept and characteris-tics of the quadrotor were pr oposed.Then the status of the micro mini quadrotor was introduced and its fabrica-tion and flight control were summarized.The trends of the mini quadr otor's development were described in de-tail.Further more,the associated critical technologies and future development were presented.The research status of the quadrotor developed by the Robot Lab in National University of Defense Technology was also de-scribed. Key words: quadrotor; micr o mini unmanned air vehicle; micr o electromechanical system; flight con-trol; formation flight 0 引言 微小型四旋翼飞行器是一种电动的、能够垂直起降(VTOL)的、多旋翼式遥控自主飞行器。它在总体布局形式上属于非共轴式碟形飞行器,与常规旋翼式飞行器相比,其结构更为紧凑,能够产生更大的升力,并且4只旋翼可相互抵消反扭力矩,不需要专门的反扭矩桨。 早在1907年,Bréguet-Richet就让世界上第一架四旋翼飞行器“Gyroplane No.1”升上了天空[1]。 收稿日期:2006-06-23 修回日期:2006-08-09 作者简介:聂博文(1981-),男,四川自贡人,硕士生,主要从事微小型无人机方面的研究。但由于构造复杂、不易操纵等原因,大型四旋翼飞行器的发展一直都比较缓慢。近年来,随着新型材料、微机电(ME MS)、微惯导(MI MU)以及飞行控制等技术的进步,微小型四旋翼飞行器得到了迅速发展,逐渐成为人们关注的焦点。 微小型四旋翼飞行器特别适合在近地面环境(如室内、城区和丛林等)中执行监视、侦察等任务,具有广阔的军事和民用前景;与此同时,它还是火星探测无人飞行器的重要研究方向之一[2];另外,新颖的外形、简单的结构、低廉的成本、卓越的性能以及独特的飞行控制方式[3](通过控制4只旋翼的转速,实现飞行控制)使其对广大科研人员具有很强的吸引力,成为国际上新的研究热点。 第14卷第6期2007年12月 电光与控制 ELECTRONICS OPTICS&C ONTROL Vol.14 №.6 Dec.2007
图1：微型飞行器图2：微型直升机
命题教师：1.出题用小四号、宋体输入打印， 纸张大小为8K. 考 生：1.不得用红色笔，铅笔答题，不得在试题纸外的其他纸张上答题，否则试卷无效。2.参加同卷考试的学生必须在“备注”栏中填写“同卷”字样。3.考试作弊者，给予留校察看处分；叫他人代考或代他 人考试者，双方均给予开除学籍处理。并取消授予学士学位资格，该科成绩以零分记。 监测化学、核或生物武器，侦察建筑物内部情况。可适用于城市、丛林等多种战争环境。因为其便于携带，操作简单，安全性好的优点，可以在部队中大量装备。在非军事领域，配置有相应传感器的微型飞行器可以用来搜寻灾难幸存者、有毒气体或化学物质源，消灭农作物害虫等。 1.4主要特点 微型飞行器不同于传统概念上的飞机，它是MEMS （微机电系统）集成技术的产物。微型飞行器的姿态控制系统中的微型地平仪、微型高度计，导航系统中的微型磁场传感器和微型加速度计、微陀螺仪等，飞行控制系统中的微型空速计、微型舵机等，在微型飞行器上应用的微型摄像机、微型通讯系统等，都需要MEMS 技术的支持，以减少体积和重量，改善飞行器的性能。微型飞行器的动力——微型发动机也需利用MEMS 技术制造，所以说，微型飞行器除机身和机翼外，都需依靠MEMS 技术，甚至机翼也可以用MEMS 技术制造灵巧蒙皮，以控制飞行器的飞行姿态。 2 研究现状 从已有的研究情况看，大致可将微型飞行器分为两类：一类是以DARPA 定义为基础相应研制的15厘米左右的微型飞行器；另一类是尺寸更加微小的只有几个厘米或毫米大小的微型飞行器或微型飞行机器人。 根据发展情况，微型飞机主要有三大类别，分别是固定翼微型飞行器，微小扑翼机和微型直升机，以下列举几种： （1） Aero Vironment 公司的“Black Widow ” 该微型飞行器采用固定翼飞行模式，外形类似于盘装飞碟。最大直径15厘米，由微电机驱动前置螺旋桨产生拉力，采用锂电池提供能源，微型飞控系统由计算机、无线接收器和三个微电机驱动的执行器组成。经试飞其留空时间为16分钟，最大飞行速度70公里/小时。设计人员目前正在为其添加必要的通信系统和导航设备，以使其更加具备实用要求。“Black Widow ”代表了目前为飞行器的较高技术水平。 （2） Lockheed Martin 公司的“MicroST AR ” “MicroST AR ”也是一种采用固定翼飞行模式的微型飞行器，他的设计总重为85克，留空时间20分钟，未来将具备GPS 导航定位系统和摄像功能。Lockheed Martin 公司计划将“MicroST AR ”设计成为战场上前所未有的高效侦察工具。 图3： “Black Widow ”微型飞行器 图4：“MicroST AR ”微型飞行器 （3） Lutronix 公司与Auburn 大学合作研制的“Kolibri ” 该微型飞行器是一种旋翼飞机，能够垂直起降和悬停，其直径为10厘米，总重316克，有效负载约100克，可飞行时间30分钟，装有Draper 实验室研制的GPS 、加速度计和陀螺仪集成系统等，动力装置为D-STAR 公司提供的微型柴油发动机。旋翼微型飞行器与固定翼微型飞行器相比的最大优点是能够垂直起降和悬停，因此比较适宜于在室内等狭小空间或较复杂地形环境中使用。 （4） Caltech 的扑翼“MicroBat ” “MicroBat ”是一种防生物飞行方式的扑翼微型飞行器，其机翼是通过模仿蝙蝠和昆虫的翅膀，并用MEMS 技术加工制作而成。该微型飞行器的研究人员通过大量实验研究了扑翼飞行方式的非定常空气动力学特征，并制作了一种轻型传动机构将微电机的转动转变为了机翼的扇动。飞行试验表明该微型飞行器目前使用电池作为能源可飞行5-20秒。 图4：“Kolibri ”微型飞行器 图5： “MicroBat ”微型飞行器 （5） 美国环境航空公司研制的“黑寡妇”微型飞机
四旋翼飞控系统设计文档第一章绪论 1.1研究背景 任何由人类制造、能飞离地面、在空间飞行并由人来控制的飞行物，称为飞行器。在大气层内飞行的飞行器称为航空器，如气球、滑翔机、飞艇、飞机、直 升机等。它们靠空气的静浮力或空气相对运动产生的空气动力升空飞行。飞行器 不仅广泛应用于军事，在民用领域的作用也在增加，机载GPS 和MEMS(Micro- Electro-Mechanical Systems)惯性传感器的飞行器甚至可以在没有人为控制的室外环境中飞行，也就是大家所熟知的无人机，。因此国内外研究人员对飞行器进行了大量研究。对飞行器的研究目前主要包括固定翼、旋翼及扑翼式三种，而我们所研究的四旋翼飞行器在布局形式上属于旋翼的一种，相对于别的旋翼式飞行器来说四旋翼飞行器结构紧凑，能产生更大的升力，而且不需要专门的反扭矩桨保持飞行器扭矩平衡。四旋翼飞行器能够垂直起降，不需要滑跑就可以起飞和着陆，从而不需要专门的机场和跑道，降低了使用成本，可以分散配置，便于伪装，对敌进行突袭和侦察。 四旋翼飞行器能够自由悬停和垂直起降，结构简单，易于控制，这些优势决 定了其具有广泛的应用领域，在民用，医疗，军事等领域都有着无限的潜力。在民用领域，它可以进行航拍，以得到在地面难以测量和计算的数据；在医疗领域，四旋翼直升机可以进入普通地面机器人难以到达的地区进行搜救等活动，最大程度的避免人员财产损失；在军用方面，四旋翼直升机可以作为侦查使用，它飞行灵活，稳定，同时，若在四旋翼直升机上增加其他机械装置，则可以利用它完成更加复杂和重要的任务。 然而，作为一个MIMO 非线性系统，四旋翼飞行器输入变量与输出变量之间的耦合作用、时变非线性的动力学特征、系统本身的不确定性及外部的干扰等的引入，使得系统的控制问题变得十分复杂。如何能够设计出有足够的飞行动力并且具有良好稳定性的控制系统，是四旋翼飞行器如今面临的主要问题，这也使得强大而又易于控制的发动机和控制飞行器协调工作的控制系统成为四旋翼飞行器设计的关键。 近几年来，国外一些知名研究机构扩展了四旋翼飞行器的研究领域，希望其在无GPS 信号的室内环境中可以利用一些特定的传感器数据进行导航，所以拥有一个稳定的飞控系统是非常必要的，而国内对于四旋翼飞行器飞控系统的研究起步较晚，一些稳定的飞控系统都被商品化，我们不能对其根据自己的需求进行修改，这给我们的研究带来很多的不便，因此我们需要开发一款属于自己的飞控系统。
扑翼式飞行器的发展与展望 从古至今，人们从没有放弃过对翱翔梦的追求。不仅在许多的古书名著中都有长着翅膀的角色形象，人们也一直在用实际行动尝试着各种飞行的可能。昆虫和鸟类的超强飞行能力逐渐引起了人们的关注，早在中国的汉代时期、欧洲的中世纪就有人模拟鸟类进行飞行活动的记载。随着科技的快速发展，以及飞行器在军事上和民用上的广泛应用前景，扑翼式飞行器已经成为当今的研究热点。 1扑翼式飞行器的发展史 1.1 扑翼式飞行器的早期发展 历史上记载了许多人们对飞行的各种尝试方法，《墨子?鲁问》中记载，鲁班制造的木鸟可以飞行三天；古代中国甚至有人将大鸟的羽毛贴在身上试图飞起来，但最终都失败了。人们逐渐认识到想要飞行必须加上合适的机械装置。 15世纪70年代，著名发明家莱昂纳多?达芬奇设计出一种由飞行员自己提供动力的飞行器，并称之为“扑翼飞机”。“扑翼飞机”模仿鸟儿、蝙蝠和恐龙时代的翼龙，具有多个翅膀。达芬奇认为扑翼机具备推力和提升力。之后人们仿照它进行了很多尝试，有的可以上下蹦跳几下，有的摔成碎片，结果都失败了。 1874年，法国生物学家马雷用连续拍摄的方式初步掌握了鸟类复杂的飞行扑翼动作，以当时的技术水平，这种高难度的动作是无法实现的，与此同时热气球的出现，就使早起人们对制造飞行器尝试告一段落，研究开始转向了其他领域。 1.2扑翼式飞行器国内外的研究现状 随着仿生技术、空气动力学和微加工技术的日益发展，加之军事和民用的广泛应用前景，扑翼式飞行器再次成为了国内外科学领域研究的热点。1997年，DAPRA投入3500万美元，开始了为期四年的MAV的研究计划。加州理工学院、多伦多大学、佐治亚技术研究所、佛罗里达大学、Vanderbilt大学等单位研制了不同结构的扑翼MAV，翼展一般在15cm左右，多采用电池提供能源，飞行时间约在几分钟到十几分钟。加州大学伯克利分校研制的“机器苍蝇”扑翼MAV 总重约为43mg，直径为5mm～10mm，采用太阳能电池和压电驱动。 西北工业大学研制的扑翼MAV采用聚合物锂电池和微型电机驱动，可实现扑翼15Hz～20Hz左右的频率上下拍动，翼展超过15cm。 2扑翼式飞行器的优势及可行性 按照飞行原理的不同划分，MAV可分为固定翼、旋翼和扑翼三种。同其他形式的微型飞行器相比，扑翼式飞行器可以通过自身机翼扇动产生的上下大气压差来飞行。它具有尺寸小、噪音弱、灵活性强、隐蔽性好的特点。 通过分析昆虫各个部分的结构，选用合理的驱动装置，并由电池或其他化学物质提供能源，仿照昆虫结构，同时辅以MEMS设备和装配技术，便可以加工制造出扑翼式微型飞行器。 3关键技术 3.1 空气动力学问题 微型飞行器不同于普通飞机，它的雷诺数大约在104左右，空气的粘性阻力相对比较大，并且扑翼式飞行器是以模仿鸟和昆虫类扑翅运动为基础，但是昆虫和鸟类的翅膀是平面薄体结构，而非机翼的流线型。我们应充分研究这种非传统
基于物联网的微型植物工厂智能监控系统设计 左志宇1，谭洁1，毛罕平1，卓敏敏1，胡胜尧1，唐学平2，张文忠2，赵常2 （1．江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏镇江212013；2．江苏白雪电器股份有限公司，江苏苏州215500） 摘要：随着生活水平的提高，人们对于安全、卫生、绿色的蔬菜需求越来越大，因此适用于家庭使用的微型植物工厂越来越受到关注。针对这一需求，开发了一种基于物联网的微型植物工厂智能监控系统。该系统可以实现用户通过Web浏览器或手机APP远程查看微型植物工厂运行状态、修改控制系统设置参数和即时干预控制设置；用户也可以将微型植物工厂托管给专家或服务器。试验结果表明：该系统性能稳定，环境参数的采集设定、用户及时干预、历史数据的查看，以及在线付费完成服务器托管等功能均能达到实际应用需求。 关键词：微型植物工厂；物联网；监控系统 中图分类号：S625．3文献标识码：A文章编号：1003－188X（2019）11－0074－06 0引言 近年来，由于我国可耕地面积减少、自然灾害频发的现状，使得传统农业已经不符合我国农业发展需求，需要向现代化农业转型，设施农业是我国现代农业发展的一个趋势［1］。 植物工厂作为设施农业发展最高阶段的产物，具有受自然条件影响小、无污染、自动化程度高及作物生长周期可调控等优点，指引着未来世界农业的发展方向［2－4］。密闭的植物工厂使用人工合成光替代自然日光，同时可以通过对其内部环境的合理精确控制，为作物提供理想的生长环境［5－7］。随着人们生活品质的不断提高，绿色、便捷的家庭用微型植物工厂应运而生。微型植物工厂与大型植物工厂相比，缩小了空间，简化了结构，便于家庭使用，具有微型化、智能化的特点。 本文将物联网技术同互联网、移动终端和智能控制结合起来［8－12］，基于Andr oid和J2EE平台，设计了一种基于物联网的微型植物工厂智能监控系统，实现用户不在家时依然可以通过手机、电脑，或将其托管给服务器，远程管理微型植物工厂，很大程度上缓解了城市居民缺乏时间或经验管理微型植物工厂的问题。 收稿日期：2018－05－22 基金项目：江苏省现代农业－研究开发类重点项目（BE2015347） 作者简介：左志宇（1977－），男，湖南湘乡人，副教授，博士研究生，（E －mail）zuozy@ujs．edu．cn。 通讯作者：毛罕平（1961－），男，浙江宁波人，教授，博士生导师，（E－mail）maohp@ujs．edu．cn。1整体方案设计 基于物联网的微型植物工厂智能监控系统总体架构分为感知层、传输层和网络层等3层，如图1所示。工作原理：感知层实现对本地微型植物工厂的信息获取，主要通过相应的传感器采集微型植物工厂内的环境参数信息及作物生长信息；获取到的数据经由网络层（Internet）传输至云服务器平台集中处理，基于应用层的具体功能设计各类终端应用软件，便于用户、专家、系统管理员等不同身份的使用者远程管理微型植物工厂 。 图1系统整体方案示意图 Fig．1System overall scheme diagram 系统整体设计分为数据采集模块、执行机构模块、主控制器、云服务器、Web端智能监控管理系统（以下简称Web端应用软件）和Android端应用软件 DOI:10.13427/https://www.doczj.com/doc/5015984594.html,ki.njyi.2019.11.013
微小型飞行器结构静力实验 实验大纲 BY1305183 聂恒昌 BY1305176 王乾 BY1305170 张弥 ZY1305310 王燕 SY1305408 王泽青 ZY1305207 刘睿 1实验名称 微小型飞行器结构静力实验 2实验依据 《微小型飞行器结构静力实验任务书》 《微小型飞行器结构静力实验指导书》 3实验目的 本实验的实验目的如下： a)掌握微小型飞行器结构静力试验的基本原理与方法； b)掌握应变、位移的测量方法，掌握加载的方法； c)掌握结构有限元静力分析与静力试验验证的方法； d)熟悉飞机结构强度规范中对静力试验的要求； e)制定静力试验大纲。 4实验对象和测试项目 4.1实验对象 实验对象为飞机机翼，所用机翼半展长为1500mm，共十根翼肋，每根翼肋间距为150mm，如图1所示。根部固支端（从固定销末端算起）距第一根翼肋150mm。箭头位置为应变片测量点。 机翼设计载荷状态：全机重量为14kg，以90km/h速度平飞时，过载系数。机翼翼形NACA 4412。
图1 机翼示意图 翼粱的材料为铝，弹性模量按铝合金的E= GPa，其截面形状如图2所示。 图2 翼粱截面形状 本次静力实验机翼肋弦长350mm，梁在弦向40%处即距翼肋前缘140mm处。加载点为翼梁前42mm，即距翼肋前缘98mm。 4.2测试项目 根据中的实验对象描述，对飞机机翼建立气动模型以及结构有限元模型，并计算气动力。将计算所得到气动力加载到机翼的结构模型上，进行静力分析。重点关注试验中两个测量点位置应力应变的分析结果，并做记录。 5实验设备 微小型飞行器结构静力试验平台如图3所示： 该测试系统主要由1）支持系统、2）加载系统、3）应变测试仪、4）位移测试仪和5）待测对象几部分组成。 支持系统用于安装待测对象，包括承力顶棚、承力地坪、承力墙三部分，根据不同的支持方式可选择其中的部分或全部用于支持待测对象。加载系统采用螺旋加载方式，加载机构通过钢丝绳和试验对象相连接，也可以采用重物加载的方
第40卷第3期国防科技大学学报Vol．40No．3 2018年6月JOURNAL OF NATIONAL UNIVERSITY OF DEFENSE TECHNOLOGY Jun．2018 doi：10．11887/j．cn．201803007http：//journal．nudt．edu．cn 微小型飞行器姿态快速机动控制方法* 刘成国1，余翔2，刘昆2，刘佳琪1 （1．北京航天长征飞行器研究所，北京 100076；2．国防科技大学空天科学学院，湖南长沙 410073） 摘要：针对某弹道导弹释放的微小型飞行器的姿态控制任务需求，提出一种基于Gauss伪谱法的姿态快速机动控制方法。建立精确的姿态控制模型，并考虑反作用飞轮的耦合力矩项；采用Gauss伪谱法获取最优姿态轨迹，设计准滑模跟踪控制器以跟踪该最优轨迹。数字仿真结果表明，Gauss伪谱法计算得到的轨迹是最优的，准滑模跟踪控制器能实现对最优轨迹的良好跟踪，且对干扰力矩有较好的抑制作用。 关键词：姿态控制；Gauss伪谱法；反作用飞轮；时间最优控制；滑模控制器 中图分类号：V412．4文献标志码：A文章编号：1001－2486（2018）03－042－07 Ｆａｓｔａｔｔｉｔｕｄｅｍａｎｅｕｖｅｒｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆｍｉｃｒｏｆｌｉｇｈｔｖｅｈｉｃｌｅ LIU Chengguo1，YU Xiang2，LIU Kun2，LIU Jiaqi1 （1．Beijing Institute of Space Long March Vehicle，Beijing100076，China； 2．College of Aeronautics and Astronautics，National University of Defense Technology，Changsha410073，China）Ａｂｓｔｒａｃｔ：In order to fulfill the attitude control mission of micro flight vehicle delivered from a certain kind of ballistic missile，a fast attitude maneuver control approach based on the GPM（Gauss pseudospectral method）was proposed．Firstly，the accurate attitude control model was established and the coupling torque term of the reaction wheels was taken into account．Secondly，the GPM was adopted to obtain the optimal attitude trajectories．Moreover，a quasi-sliding mode controller was designed to track the optimal trajectories．Numerical simulation results demonstrate the optimality of the attitude maneuver trajectories obtained by using the GPM，the good performances of the quasi-sliding mode controller in tracking the optimal trajectories，and the good effect in rejecting the external disturbance torque． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：attitude control；Gauss pseudospectral method；reaction wheel；time-optimal control；sliding mode controller 目前，弹道导弹攻防对抗技术发展迅速，在弹道中段从母弹弹体释放各种功能的微小型飞行器是其常用的技术手段。微小型飞行器的姿态控制问题是其功能发挥的基础，某试验任务要求微小型飞行器在释放后实现姿态的快速机动控制，即实现姿态角速度快速稳定和姿态角的快速机动。传统弹头的姿态控制一般以气动舵、反作用控制系统（Reaction Control System，RCS）等作为执行机构。但RCS需要携带大量燃料，且控制精度不高。该试验任务高度在100km以上，气动舵难以发挥作用，但航天器姿态控制技术可以为本任务的实现提供借鉴。反作用飞轮和控制力矩陀螺是航天器上两种较常见的姿态控制执行机构。控制力矩陀螺虽具有较大的输出力矩，但存在奇异问题，且力矩输出精度难以达到反作用飞轮的精度［1－2］。因此，本文采用反作用飞轮作为微小型飞行器的姿态控制执行机构。 关于航天器姿态快速机动控制的研究已经有很多成果［3－16］。Bilimoria等［3］针对惯性对称航天器的重指向（rest-to-rest）问题，利用庞特里亚金极大值原理和打靶法得到数值计算结果，首次表明绕欧拉轴旋转的机动路径并非最优路径，结果还表明时间最优机动控制具有bang-bang形式。 Byers等［4］针对同样的问题，基于切换时间优化（Switch Time Optimization，STO）方法，建立了近似的解析模型，计算结果精度高，可用于实时计算。Scrivener等［5］对航天器时间最优姿态机动问题进行了综述，指出最优机动问题较为复杂且通常较难求解。Bai等［6］重新研究了文献［3］所研究的时间最优机动问题，得到了具有更短机动时间的6次切换bang-bang控制结果，并指出在某些限制条件下，绕欧拉轴旋转的机动路径仍是最优路径。 *收稿日期：2017－04－20 基金项目：国家自然科学基金资助项目（61603405） 作者简介：刘成国（1975—），男，辽宁瓦房店人，研究员，硕士，E-mail：liu_chengguo＠163．com； 刘昆（通信作者），男，教授，博士，博士生导师，E-mail：liukun＠nudt．edu．cn 万方数据