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无人旋翼直升机概述

一、引言

无人机是一种配备必要的数据处理单元、传感器、自动控制和通信系统的飞

机，能够在没有飞行员的情况下执行自主飞行任务。在过去的几十年里，无人驾

驶飞机以其成本相对低廉、体积小、灵活性和机动性强等独特特点受到了人们的

广泛关注，并取得了巨大的进展，在军事和民用领域得到了广泛的应用。例如：

使用无人机摧毁战场上的防空设施，以及在危险环境中搜索和救援受害者。在传

感器、制造和通信技术等相关领域的快速发展和推动下，无人机比以往任何时候

都增长得更快、更智能，逐渐成为人类不可缺少的助手。

根据外形及几何模型，无人机可以分为固定翼飞行器、旋翼飞行器、扑翼飞

行器及混合翼飞行器等。

其中，前两种类型航空器常用于遂行作战、搜救任务和科学研究中，而扑翼

型航空器一直在学术界备受关注，近十年来已经取得了一些初步进展，混合翼航

空器目前仍处于初始和概念开发阶段。

在本文中，重点研究旋翼无人机，旋翼无人机具有独特的盘旋能力，这使它

成为在有限区域内应用的最佳选择。通过介绍旋翼无人的历史发展，结构组成

（即硬件结构、软件集成、空气动力学建模和飞行控制律设计）以及旋翼无人机

在军事和民用领域的一些应用实例，并得出相应结论，指出了相关领域未来可能

的研究与发展方向。

二、旋翼无人机历史发展

自从1941年IgorSikorsky建造了第一架全尺寸直升机以来，人们进行了

许多尝试，以缩小其尺寸并实现完全自主飞行。1968年，DieterSchluter制

造了第一架具有足够操纵性的业余直升机。卡万公司在1974年结合了贝尔和希

勒的旋翼设计概念，并在1978年分别安装了偏航速率陀螺，进一步提高了飞机

的飞行性能。这样的配置很快被大多数航空模型制造商采纳为标准，用于大规模

生产。在20世纪80年代早期，成熟的直升机模型已经在世界各地的爱好商店中

可以买到。20世纪80年代，嵌入式系统技术和微电子机械系统(MEMS)技术的进

步使建造一种轻型但功能强大的航空电子系统成为可能，该系统集成了所有必要

的数据处理单元、传感器和无线通信设备，安装在一架直升机上。它最终导致了

现代旋翼机的诞生。

自20世纪90年代以来，研制精密可靠的旋翼机迅速成为世界学术界关注的

研究课题。1991年，第一届国际空中机器人比赛在乔治亚理工学院举行。这项比

赛一开始是一项基于大学的活动，但很快就发展成为一项全球性赛事。在连续几

年的比赛中，旋翼机的能力不断提高，从几乎不能在空中保持自身稳定的飞行器，

发展到能够自我稳定、自我导航，并能与周围环境，特别是与地面物体相互作用

的航空器。

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

动中使用微型麦克风的想法。美国国防部高级研究计划局(DARPA)最终在1997年

启动了一项历时多年、耗资3500万美元的开发项目，直接目标是开发最大尺寸

(翼展或旋翼跨度)不超过15厘米的微型飞行器。无人机系统的发展近年来在世

界学术界和军事界获得了越来越多的关注。

近年来，国内外专家学者进行大量的研究，并取得了相应的成果。Baykar

Machine公司研发出马拉兹吉特迷你无人直升机；北京航空航天大学研究出FH系

列无人旋翼直升机；CarnegieMellon大学研究出基于yamaha-r50的无人旋翼

直升机；千叶大学研究出“空中测量师等”。

三、旋翼无人机相关技术分析

本节介绍一架功能完备的旋翼机无人机的硬件平台构建、软件系统设计与集

成、空气动力学建模、飞行控制律设计与实现等几个基本和关键部件的技术概况。

（一）硬件平台构建

硬件平台建设是构建旋翼无人机系统的核心。一个完整的旋翼无人机系统包

括以下四个部分:

1)一个RC旋翼机;

2)用于收集飞行数据、执行自动控制律和与地面站通信的航空电子系统;

3)由一名有经验的飞行员和一根无线操纵杆组成的手动控制系统;

4)用于监测无人机飞行状态并与航空电子系统通信的地面系统。

（二）软件集成

需要一个复杂的软件系统来确保无人机系统的所有硬件组件正常有效地工作，

并确保机载系统和地面站之间良好的通信和协调。它可以分为两部分：

1)航电实时软件系统;