时间：2022-07-05 12:55:49
微型无人机是指尺寸与小型鸟类相近的无人机。很多人认为：无人机未来的发展趋势是成为具有高度智能、接近昆虫大小的自主飞行机器人，如果配备相应的传感器等辅助设备，就能有效完成勘察、监视等任务。这种无人机特别适合用于繁忙或危险的情况，例如交通监管、在绑架案中探知人质安危、在化学物质或核物质泄露后寻找污染源等。
德国的布伦瑞克科技大学宇航学院研发了一架自主飞行的微型无人机“CAROLO”（图1）。其翼展约40cm，采用推进式布局，有两个操纵面——前面的升降舵和后面的副翼。副翼兼具襟翼的功能，其性能参数见表1。因为主要目标是实现自主飞行，所以设计者对尺寸和重量的限制适当放宽，使之略高于普通的微型无人机。
1、建立计算模型和试验
为了准确分析微型无人机的气动力（图2），首先要推导其运动非线性微分方程和非线性空气动力学方程，再以此为基础设计飞控系统。
（1）风洞试验
通过风洞试验测定飞行器的迎角、侧滑角、升降舵偏角、副翼偏角和襟翼偏角范围（图3、表2）。
（2）舵机
因为微型无人机的重量和转动惯量都很小，所以其动作非常灵敏，需要使用高速舵机（图4）。
（3）传感器误差模型
微型无人机设计的一大难点是寻找小巧、低能耗的传感器。为了建立准确的模型，需要把传感器的误差考虑在内。“CAROLO”的试验机配备的传感器比较少，只有用于导航的GPS、用于增稳的陀螺仪和加速度测量仪、测量高度和空速的压力传感器。
a.GPS误差
GPS误差包含卫星钟差、大气折射造成的延迟、多路径和噪音。
b.基于MEMS的传感器误差
考虑到能耗和重量的问题，只有基于MEMS的传感器比较适合在微型无人机上使用。这类传感器的优点是质轻、能耗低，缺点是误差较大、噪音大、数据非线性变化、随温度变化较大、偏差和滞后等。
（4）飞行控制
图5是微型无人机的控制结构示意图，由阻尼系统、高度稳定器和自驾仪组成，包括舵机、传感器等仪器。这个系统的优点是：如果高级控制失效，仍可实现低水平的控制。该飞控系统具有导航功能，可控制无人机经过特定的地点，完成具体的飞行任务。
2.机载电子设备（图6）
这架微型无人机的核心设备是机载微机。其主要功能是根据传感器传回的数据计算出正确的反应，并向作动器发送控制信号。机载微机和地面站通过无线电波连接在一起。地面站实时监控无人机的飞行状态，并将最新的飞行路径传递给机载微机。另外，为了完成某些监控任务，无人机上还需要安装数字相机。
机载微机的任务可分为两部分：分系统控制和数据计算。这两种任务对硬件有不同的要求：分系统控制要求有较高的通用性，而数据计算需要较高的计算能力。设计者采取了“双微机”方案——同时配备系统控制器（MSC）和飞行数据运算器（FDPU）。
MSC虽然计算能力较低，但它具有多种设备，与分系统之间的连接比较简单，对计算能力要求不高——每秒5兆指令的速度就够了。MSC允许无线电模块、载荷模块以很低的数据速率与其相连。
FDPU由32位的RISC（精简指令集计算机的简称）组成。其计算速度是每秒200兆指令，与MSC通过简单的同步串口连接。所有消耗时间的输入、输出任务都由MSC完成。FDPU则专注行控制和导航运算。FDPU采用简单、廉价的实时操作系统。另外，新增的设备和无线电连接需要较高的数据传输速度或者复杂的通信协议，因为MSC容量有限，所以需要连接到FDPU。
除了MSC和FDPU，主机硬件还包括飞行数据记录仪（FDR）。FDR负责记录MSC和FDPU之间传输的数据，还承担这架微型无人机的“黑匣子”功能。FDR使用128M的存储卡存储机载摄像头的照片数据。存储卡中的数据可用PC读取。
3.无线连接
大部分时间微型无人机不需要人工遥控，完全能自主飞行。但当任务需要时，或者要改变飞行任务时，就需要用无线电遥控。这架无人机使用了模型常用的遥控设备。在研发前期，通过遥控模型接收机与MSC相连，允许操纵手调整飞行参数。
（1）移动手机网络
使用已经存在的无线网络是比较理想的选择。这意味着在任何一个工业化国家，都可以使用这种微型无人机。使用GPRS调制解调器可以得到平均28.8kbps、至少9.6kbps的数据传输速度。这个速度足够实现飞行控制并完成低分辨率图片的传输。具体的图片分辨率可以根据任务确定，如果传输频率高，图片分辨率必须降低；如果传输频率低，则图片分辨率可以适当提高。
（2）地面控制
地面设备是装有控制软件的笔记本电脑。GPRS数据传输则是基于互联网和互联网协议进行的。
控制软件采用模块化设计：每个软件模块都通过UDP/IP与服务器连接，由服务器协调数据流。因为软件模块能够灵活组合，所以地面控制软件的功能可以实现多样化。
第一版客户端软件主要实现了任务计划和任务控制模块。软件可显示目标区域的数字地图（图7）。该地图包含地形高度等信息。用户可以在地图上标出路径点，以决定微型无人机的飞行轨迹。在每一个路径点上，都可以定义特殊的动作，例如“以固定高度盘旋60s”。无人机的位置实时显示在地图上，任何时候都可以改变预设的飞行路径，只需将新的路径点传给机载微机即可。
早期版本的软件只显示无人机的基本信息，例如位置、路线和高度等，后来增加了可视化仪表模块：模拟传统飞机的方式直观展示姿态、速度、燃油、运行状况监控等。
4.飞行测试
图8是微型无人机遇到热气流盘旋飞行的高度数据记录。