1.4 微小型無人系統的關鍵技術

1．微小型機器人的關鍵技術

微小型機器人系統一般由以下四部分組成：微執(zhí)行器、微傳感器、微能源、控制系統，與其對應的微執(zhí)行器技術、檢測技術、能源供給和控制技術就是微小型機器人的關鍵技術。將四部分集成在一起是微小型機器人的發(fā)展趨勢，目前國內外的研究大多還沒有達到這一步，大多是由分離的組件構成一個廣義的微小型機器人系統。

（1）微執(zhí)行器技術

有關微執(zhí)行器的研究一直是微機械發(fā)展的關鍵，在一定程度上標志著一個國家微機械的發(fā)展水平。相比微傳感器，實用化的微執(zhí)行器還很少，大多處在發(fā)展階段，存在設計、控制、精度、環(huán)境影響等重要問題。

如果按微執(zhí)行器的驅動方式分類，則微小型機器人可分為壓電驅動、形狀記憶合金（SMA）驅動、直流微馬達驅動、氣壓驅動、靜電驅動、電磁驅動、熱膨脹驅動、光驅動、超聲波驅動等。

①壓電驅動。

日本DENSO公司研制出壓電驅動的、用于細小工業(yè)管道的自動化檢測微小型機器人。該機器人主要由四部分組成：兩個彈性支撐腿、一個移動機構、兩個渦流傳感器和一個散熱器。移動機構由疊堆式壓電部件、慣性塊和彈性支撐腿組成，以逆壓電效應為基礎，根據慣性沖擊原理設計而成。合理配置本體和慣性塊的質量，選用適當頻率、適當幅值的鋸齒波電壓作用于壓電陶瓷，就能使微小型機器人在管道內前后移動。其樣機尺寸為＜直徑515mm×長20mm，自重1g，可在＜直徑8mm的管道內運動，最大移動速度為10mm/s。之后，該公司又用壓電雙晶片制作了微系統。該系統由外部“電臺”和微小型機器人組成。“電臺”通過微波給微小型機器人供能及發(fā)送指令。機器人尺寸為＜直徑915mm×長60mm，可在＜直徑10mm的管道內無纜移動。該微小型機器人由三部分組成：微波（RF）模塊、控制電路、由壓電雙晶片執(zhí)行器構成的移動機構。RF模塊可接收兩個頻率的微波：22GHz的微波用于供能；24GHz的微波用于通信。控制電路產生的鋸齒波信號可驅動移動機構。

日本MEITEC公司開發(fā)了一種帶有針形執(zhí)行器的管內微小型機器人。針形執(zhí)行器由四對壓電片、一塊彈性板和一個接觸針構成。壓電片的尺寸為10mm×10mm×12mm。接觸針用環(huán)氧樹脂膠粘在金屬板上。將不同相位的信號作用于各壓電片上，壓電片的振動帶動金屬板發(fā)生彎曲振動，該振動傳到接觸針的末端，在末端與管壁間產生驅動力推動管內微小型機器人運動。該機器人的電源與控制信號由外部驅動電路供給，能前進、后退、旋轉及螺旋運動。

日本Nagoya大學研制了一種兩自由度的水下微小型機器人。它的整個身體構成一個放大機構，可以將PZT位移放大250倍。兩條腿伸出體外，更容易產生轉向慣量。每條腿上均以一定角度粘有一對鰭，可大大改善性能。改變信號頻率，腿可產生向前或向后的力，通過兩種模態(tài)的轉變就可以有效轉向。

日本Namiki機械工程實驗室研制了一種兩腿機器人。其腿部結構是由壓電雙晶片執(zhí)行器構成的，通過振動一條腿，可選擇性地利用腿與地面之間的摩擦前進。該機器人背負一個加速度計來檢測縱向運動的加速度，通常黏滯摩擦模型比庫侖摩擦模型能更好地解釋該機器人的運動，為了擴展該機器人的運動維數，實驗室又研制了兩種兩維運動的四腿機器人。

②靜電驅動。

如同人類或哺乳動物是常規(guī)尺寸機器人的優(yōu)良模型一樣，目前許多研究機構以昆蟲為模型設計制造微小型機器人。日本東京大學利用靜電驅動開發(fā)了一種昆蟲模型的擊打式微飛行機構。如果給鋁板和基座（硅片）之間加上電壓，鋁板就向基座移動，多晶硅翅膀向上彎曲。當交流電壓的頻率與系統機械振動的自然頻率一致時，擊打將發(fā)生共振。

③氣壓驅動。

上海大學根據蚯蚓蠕動原理，研制了一種氣壓驅動微小型機器人。該機器人的蠕動機構由三部分組成：兩個徑向伸縮的保持器和一個軸向伸縮的推進器。保持器在不同階段與管壁保持吸附或脫離。吸附時起定位和支撐作用。推進器位于兩個保持器之間，通過軸向伸縮運動驅動前進。保持器利用氣囊的膨脹增加有效直徑，增大與管壁的接觸面積，從而可柔軟地吸附在管壁內腔。

④直流微電動機驅動。

清華大學研制了一種全自動直線跟蹤微小型機器人。它通過光電探測器獲得機器人本體的狀態(tài)，要實現的目標是跟蹤白色地面上的一條黑線。除了光電探測，微執(zhí)行器中還配有簡單的邏輯算法以實現微小型機器人的智能。微小型機器人的尺寸為30mm×25mm×30mm，速度為60mm/s，由移動機構和控制電路組成。移動機構有兩個分離的驅動部件。每個部件均由一個電動機和一套減速器組成。移動機構可驅動微小型機器人實現前進、后退、左轉和右轉的功能。兩個光電部件相當于微小型機器人的“眼睛”，可獲得黑線上的信息，通過控制電路決定自身的行為。

⑤形狀記憶合金（SMA）驅動。

中國科技大學研制出了基于SMA導向的用于人體腸道檢查和腹腔手術的醫(yī)用蠕動式管道微小型機器人。攜帶內窺鏡的微小型機器人在可控的SMA部件的作用下可以實現自主導向。SMA部件和軟芯被做成多竹節(jié)結構，通過對其進行通電控制，微小型機器人頭部的內窺鏡能在空間三維方向彎曲成所需要的形狀，乃至復雜的S形，容易穿越大腸這種不規(guī)則的管道，大大降低患者的痛苦。

⑥其他形式的驅動。

日本Kagawa大學研制了一種多自由度的水下微小型機器人。該機器人利用ICPF（離子導電的聚合物薄膜）執(zhí)行器作為伺服執(zhí)行器實現三自由度的游泳動作。水下微小型機器人的形狀像一條魚，尺寸為45mm×10mm×4mm，由一對鰭和一個浮力調節(jié)器組成，通過改變輸入電壓的頻率可控制游動速度，通過改變電壓的幅值及頻率可控制上下游動方向。

（2）檢測技術

在微小型機器人上配備傳感器后可以檢測自身的運動參數及環(huán)境參數，并存儲和傳遞所檢測到的信號。作為微小型機器人的感覺器官，傳感器必須具備拾取信息、傳遞信息的功能，同時還必須滿足尺寸小、分辨率高、穩(wěn)定性和可靠性好、時間響應快等特點。微小型機器人常用的傳感器有視頻探測器、渦流傳感器、激光干涉儀、加速度傳感器等。

上海交通大學利用＜2mm3電磁微電動機作為執(zhí)行器設計制作了尺寸為5mm×6mm×5mm的微小型機器人小車。為了對微小型機器人小車進行實時控制，他們采用外部圖像采集系統實現機器人視覺。微小型機器人小車系統原理圖如圖1.2所示。該系統采用MVPCI-V2圖像采集卡、光學顯微鏡M1及一對攝像機（P1、P2）來采集信息。其中，攝像機P1主要用來實現微小型機器人小車高速運動時的系統粗定位；攝像機P2和光學顯微鏡M1主要用來實現微小型機器人小車的精密定位。該系統采用機器人運動參數粗略提取方法，實現微小型機器人小車運動參數的實時提取，采用亞像元定位的方法實現微操作端位置參數的精確提取。

廣東工業(yè)大學研制了一種MPR-1型管道微小型機器人。他們利用激光干涉儀采集數據，并記錄微小型機器人的運動位移作為系統的反饋信號。其中，激光干涉儀是由英國雷尼紹公司的ML10激光干涉儀改進而成的，測量原理如圖1.3所示。

上海大學研制的Tubot II型微小型機器人可用于20mm管道內缺陷的自動探測。其檢測裝置由渦流探頭和渦流分析儀組成。微小型機器人移動機構攜帶渦流傳感器進入管道，當交流電流流過傳感器的檢驗線圈時產生交變磁場，磁場作用于管壁，在管壁上產生渦流，由渦流產生一個與原來磁場相反的交變磁場。兩個磁場疊加使線圈的阻抗發(fā)生變化，因此測量線圈的阻抗，就可以得到包括缺陷在內的管壁的各種參數。

（3）能源供給

微小型機器人的能量供給方式可分為有纜和無纜。無纜是微小型機器人發(fā)展的未來趨勢。無纜可分為內部供給型和外部供給型。

內部供給型的能源大多是電能，一般采用電池和電容器供給。雖然電池輸出功率的連續(xù)性好，但是很難小型化。

外部供給型大致有以下幾種：

①光供給方式，用光作為能源，例如，將光轉換成熱以產生驅動力的光-熱轉換方式，照射激光束以施加光壓力的光-壓驅動方式，照射紫外線利用光致現象的光-變位轉換方式。

②電磁供給方式，例如，使微小型機器人處于磁場中，利用磁致伸縮效應使其運動。

③超聲波，例如，利用“輻射壓”以超聲波進行非接觸操作或產生推動力。

④機械振動，例如，在振動場放置彈性體，利用共振現象有選擇地供給能源和傳送控制信號。

⑤其他方式，例如，由外部使溫度變化，利用熱電效應和DNA（脫氧核糖核酸）的結構特性為微小型機器人提供動力等。

日本DENSO公司研制的多層雙晶片微小型機器人實現了無纜微波能源供給，即由振蕩器產生的微波經放大器放大后，通過管道傳導，由微小型機器人身上的天線接收，經整流電路變?yōu)橹绷餍盘柦o微小型機器人供能。

日本東京大學利用振動能量場激勵微小型機器人。微小型機器人有很多執(zhí)行器。它們有著各自的諧振頻率。當壓電振子的頻率等于執(zhí)行器的共振頻率時，執(zhí)行器就被激勵。疊加不同的頻率就可以選擇性地激勵相應的執(zhí)行器，因此有n個執(zhí)行器的微小型機器人就能執(zhí)行2n種行動。意味著，這種配有多個諧振執(zhí)行器的微小型機器人能有效自供能，無需復雜的轉換機構就可利用頻率選擇方式實現控制。

（4）控制技術

微小型機器人控制技術的關鍵是在微小尺寸水平上的集成，即集成機載控制器。目前這個技術還沒有很好地解決，有待計算機和部分外設集成技術的突破。現在大多數微小型機器人還是控制器與其余部分相分離，通過視覺伺服等技術，提高控制器的控制性能和自主能力。目前的重要問題是如何提高圖像處理的速度，神經網絡、人工智能的引入將有助于解決這一問題。先進的控制策略，如對路徑規(guī)劃、控制器參數的在線優(yōu)化等的研究也將使微小型機器人的智能水平得到進一步的提高。

微小型機器人是一個系統，只有微傳感器、微執(zhí)行器、微能源和控制等技術的研究較為成熟后才有可能取得突破。

德國Karlsruhe（卡爾斯魯尼）大學的微小型機器人工作組研制了一種基于自動微小型機器人的微操作工作站。該工作站包括四部分：

①一個壓電微小型機器人：不僅能長距離移動，而且能實現納米范圍內的微操作；

②一個全局傳感器系統（CCD攝像機）：用于實現顯微鏡工作臺上的微小型機器人定位；

③一個局部傳感器系統（配備CCD攝像機的光學顯微鏡）：用于在顯微鏡下操作微小對象；

④控制系統：同時裝備在PC機及并行計算機系統上，控制目標是實現從起始點到目標點的直線運動。

廣東工業(yè)大學在其研制的MPR-1型管道微小型機器人的前端裝備了一個微型CCD，通過微型CCD可以自動采集管道圖像并輸入計算機。整個系統由計算機控制，通過激光干涉儀采集微小型機器人的運動位移作為反饋信號，用程序編制微小型機器人運動的控制序列，并輸入至微小型機器人的各個線圈中產生磁場，分別控制微小型機器人的左右轉向、磁性腿的動作及主體執(zhí)行器的驅動。這些線圈的動作次序構成序列，組成微小型機器人不同的運動模態(tài)，根據微小型機器人運動的管道內條件及運動特性，用神經網絡自學習算法學習各種模態(tài)對應的管道內條件，使微小型機器人具有自律性，自覺選用工作頻率和運動路徑。

2．微小型飛行器的關鍵技術

（1）機體結構與機載設備的微型化

微小型飛行器在尺寸上遠遠小于常規(guī)的飛行器。其機體空間十分有限，可以攜帶的機載設備和有效載荷受到極大限制。這些機載設備，如飛行控制、導航、制動、動力、圖像攝取、數據傳輸等設備，不能夠像在常規(guī)飛行器上那樣有較多的安裝選擇余地，使得微小型飛行器除了本身的機體結構應采用質量輕、強度高的結構材料來減輕質量外，其他用于機載的各種設備均需要進行最大程度的微型化，以減輕設備的質量，壓縮占用的空間。

隨著微小型飛行器尺寸的進一步縮小，與固定翼布局的微小型飛行器相比，仿生撲翼布局的微小型飛行器在氣動方面的優(yōu)勢愈發(fā)明顯。但是，仿生撲翼布局首先給微小型飛行器的結構設計帶來了極大的挑戰(zhàn)，尤其在撲翼的結構、材料及運動機構的微型化設計方面將面臨更多的技術困難。

（2）新型高升阻比升力機制

微小型飛行器由于尺寸小、速度低，飛行雷諾數Re遠小于常規(guī)飛行器，因此對氣動性能帶來了不利影響。飛行雷諾數反映了施加在飛行器上的慣性作用力與黏滯作用力之比。微小型飛行器的飛行雷諾數范圍一般為102～104，與自然界的鳥類和昆蟲等的飛行雷諾數大體相當，屬于低Re飛行。此時，空氣黏性的影響越發(fā)顯著，微小型飛行器受到的黏滯作用力相對增大。例如，對于最小的飛行昆蟲，它們在空氣中飛行受到的黏滯作用力就如同人在蜂蜜中游泳。低飛行雷諾數對固定翼微小型飛行器性能的影響主要表現為：

①升力系數下降導致有效飛行載荷相對降低；

②力系數增大要求更大的飛行動力；

③相對容易發(fā)生的氣流分離降低了機翼的氣動性能和機動性能。

對于利用螺旋槳產生前進驅動力的微小型飛行器，螺旋槳的推進效率將隨著飛行雷諾數的減小而降低。在自然界中，飛行的鳥類和昆蟲可以很好地克服低飛行雷諾數時的種種不利因素。

自然界中的鳥類和飛行昆蟲經過漫長的自然進化，獲得了與它們飛行雷諾數相適應的一套飛行技能。這些出自大自然的“微小型智能飛行器”為人工微小型飛行器提供了值得借鑒的空氣動力學原理和氣動布局設計。對鳥類及昆蟲撲翼飛行的空氣動力學原理的研究及如何將其運用到微小型飛行器的設計中，是微小型飛行器技術研究領域的一個關鍵課題。

（3）微型高效動力推進裝置

微型高效動力推進裝置是目前微小型飛行器發(fā)展所面臨的制約因素之一，是微小型飛行器的關鍵設備，需要在極小的體積內產生足夠的能量，并轉換為微小型飛行器的驅動力及維持機載設備工作所需的電能，如具備了高性能的微型動力系統，就可以克服微小型飛行器在空氣動力方面的許多不足。研制高功率密度和高能量密度的微型動力裝置和微型動力源同樣面臨著十分突出的技術困難。

目前正在研發(fā)中的微型動力裝置種類較多，有微型燃料發(fā)動機，如微型火箭發(fā)動機、微型脈動式噴氣發(fā)動機、微型渦輪發(fā)動機、微型內燃機、微型電動機等。微型電動機的常用電源有電池，如鎳鉻電池、鎳氫電池、鋰電池、固態(tài)氧化物燃料電池及微型渦輪發(fā)電機等，此外還有采用RCM驅動的動力裝置。用于微小型飛行器的動力裝置主要有兩類：采用鋰或氫氧燃料電池的微型電動機和微型渦輪噴氣發(fā)動機。新一代微型動力裝置可達到的典型參數為：渦輪直徑為8mm，葉片長度為0.2mm，推力為0.15N，質量為20g，燃料消耗每小時為25g。微型動力裝置將采用基于硅材料的MEMS技術制造。表1.1列出了微型動力裝置和常規(guī)動力裝置的功率密度和耗油率。

（4）微功率下的飛行控制和數據通信系統

微小型飛行器應該具備相當程度的自主飛行能力，需要依靠自身的飛行控制系統來保證。微小型飛行器的飛行控制技術是研制微小型飛行器的又一個技術難題。一方面，由于微小型飛行器在空中的飛行活動在許多時候都面臨湍流或陣風的干擾，因此需要通過自身的飛行控制系統來保證穩(wěn)定的飛行姿態(tài)和正確的航線。另一方面，微小型飛行器需要在一定的條件下，通過飛行控制系統來執(zhí)行地面控制人員發(fā)出的機動指令。采用仿生布局的微小型飛行器的飛行控制，將是微小型飛行器飛行控制技術中一個更為復雜的難題。

微小型飛行器在進行自主飛行的同時，需要與地面控制站進行飛行和控制信息的實時傳遞及視頻、音頻等數據的傳輸。微小型飛行器用于數據或信息傳輸的無線電設備需要消耗一定的電能，以保證信號有足夠的傳輸距離。隨著微小型飛行器尺寸的縮小，其動力源可提供的功率受到極大限制。因此，在設法提供更高功率機載動力源的同時，如何提供功耗更低、效率更高的數據通信系統也是微小型飛行器發(fā)展所面臨的一個問題。

（5）低飛行雷諾數下的空氣動力學分析技術

①空氣動力學不利影響特性消除技術。

相比常規(guī)飛行器，微小型飛行器的空氣動力學特性有較大不同。常規(guī)飛行器的飛行雷諾數很大，為106～108，空氣的黏性效應可以忽略。微小型飛行器由于尺寸微小，飛行速度較低，因此飛行雷諾數很小，通常為104～105，如圖1.4所示。在低飛行雷諾數下，空氣的黏性效應顯著，導致一些不利影響，主要表現為阻力增大、升阻比減小。研究表明，當飛行雷諾數低于105時，升阻比將迅速惡化，如圖1.5所示。

微小型飛行器的升力系數隨攻角呈顯著的非線性變化，有時氣動力和力矩甚至出現“滯回”現象。微小型飛行器機翼上的附面層對迎角變化異常敏感，其姿態(tài)的微小變化很可能會導致機翼附面層分離，形成層流分離泡，使機翼氣動特性變壞，如圖1.6所示。另外，微小型飛行器的飛行速度和風速處于同一量級水平，風速的變化會造成飛行雷諾數的劇烈波動，使按常規(guī)理念設計的微小型飛行器的氣動性能、穩(wěn)定性能和操控特性急劇惡化。

除了低飛行雷諾數以外，非定常空氣動力也是微小型飛行器特殊的基礎問題。在鳥類撲翼飛行與昆蟲撲動飛行過程中存在明顯的低飛行雷諾數非定常空氣動力問題，屬于完全不同于目前飛行器飛行的新概念空氣動力學。斯德魯哈爾數St常用來表示撲翼飛行的非定常氣動特征，即

其中，f為撲動頻率；h為撲動最高點到最低點的距離；U為來流速度（飛行速度）。St定義了撲動頻率相對于來流速度的大小。較大的St意味著撲翼大幅度高頻撲動，來流速度相對較小；反之，撲翼小幅度低頻撲動，來流速度相對較大時，St較小。

科學家通過自由飛行試驗、模型風洞試驗及數值模擬技術，對昆蟲、鳥類等的撲翼飛行進行了大量研究，提出了撲翼低飛行雷諾數下獲得高升力的多種非定常飛行機制，分別是Wagner效應、Weis-Fogh效應（見圖1.7）、延遲失速效應（見圖1.8）、Kramer效應、尾跡捕獲效應和附加質量效應。有人曾想把研究固定翼的非定常流動理論運用于撲翼，假設機翼表面和尾流區(qū)的渦無限薄，但這一假設對低飛行雷諾數、黏性影響大和大幅度的撲翼非定常運動并不適用。

近幾年，在低飛行雷諾數下提升微小型飛行器升阻比的研究已取得初步進展，如優(yōu)化氣動外形和機翼形狀，采用各種有效的增升、減阻措施；利用非定常外部激勵效應（如擾流片、吹吸氣、動壁效應等）；采用仿生運動學方法；等等。總體而言，相關研究仍處在探索試驗階段，并未形成成熟的系統理論，距離完全弄清楚低飛行雷諾數非定常氣動特性、穩(wěn)定性能和控制性能，實現工程實用化還需要較長的時間。

②低飛行雷諾數空氣動力學數值分析與風洞試驗技術。

針對微小型飛行器低飛行雷諾數流動特點，自20世紀90年代，氣動設計人員在低飛行雷諾數計算分析和試驗驗證方法上開展了持續(xù)而深入的研究。傳統的定常可壓縮N-S方程的數值方法在用于不可壓、低馬赫數或低飛行雷諾數流場時會面臨收斂速度慢、不穩(wěn)定和精度低的所謂“剛性”問題。引起這一問題的根本原因在于，低速時，控制方程系統矩陣特征值對應的特征波速相差太大。比如，定義最大特征值與最小特征值之比的條件數CN，即

其中，c為聲速；μ為對流速度；Ma為馬赫數。隨著馬赫數的減小，CN將越來越大，導致流場計算收斂越來越困難，甚至無法計算。目前的主要措施是通過時間導數預處理方法，對可壓縮N-S方程時間導數預處理，使控制方程系數矩陣的特征值保持在同一量級，不至于相差太大，解決了低速時控制方程系數矩陣的“剛性”問題，使得傳統的可壓縮流方法能夠拓展，并用于求解微小型飛行器的低速低飛行雷諾數/不可壓流場。計算流體力學的研究主要集中在常規(guī)飛行器的定常流場計算。非定常流場的計算研究剛逐步興起。針對低飛行雷諾數非定常流場的研究仍然不夠。在離散格式、求解精度、動態(tài)網格處理、湍流模型等方面，對低飛行雷諾數非定常空氣動力學計算方法的研究仍面臨不小的挑戰(zhàn)。

除了理論或數值計算方法以外，風洞試驗技術也是一種有效、高精度的微小型飛行器氣動特性分析手段，尤其低飛行雷諾數撲翼微小型飛行器。該飛行器非定常氣流分離情況復雜，不穩(wěn)定，通過風洞試驗才能最終確定低飛行雷諾數微小型飛行器的氣動特性和最終選擇。由于飛行雷諾數很低時，物面邊界層對來流湍流度十分敏感，因此為了研究低飛行雷諾數微小型飛行器的氣動特性，需研制專用的低湍流度風洞。同時，由于微小型飛行器的氣動力較小，因此針對微小型飛行器風洞試驗的微型天平、測壓儀器和外部流場顯示設備需同步研制，為準確分析微小型飛行器低飛行雷諾數與非定常氣動特性提供強有力的保障。

（6）微小型動力裝置和能源技術

微小型飛行器對動力和能源系統的主要要求：質量輕、體積小；能量和功率密度高，可以提供足夠的動力；振動小，不干擾任務設備正常工作；噪聲小，保證隱蔽性；動力系統應易于啟動、可靠性高。從統計數據來看，微小型飛行器質量分布的最大部分是動力系統，約占48%。動力裝置和能源系統的尺寸和質量較大、效率較低是限制微小型飛行器尺寸和質量難以縮減、性能難以提升的重要方面。

現有的微小型飛行器主要有固定翼飛行器、旋翼飛行器和撲翼飛行器。根據不同類型飛行器的動力需求，可以采用多種類型的能量來源、動力裝置和執(zhí)行裝置，如圖1.9所示。

微小型飛行器的動力裝置主要有微小型內燃機、微小型渦輪發(fā)動機、微小型電動機、微小型火箭發(fā)動機等。微小型內燃機和微小型渦輪發(fā)動機都具有結構復雜、精度高、制造難度大、不易微小型化的特點，一般用于稍大一點的微小型飛行器。目前，微小型內燃機的效率比較低，熱效率只有5%左右，功率密度為1W/g，燃料消耗量為0.3～0.5g/W·h，存在難以節(jié)流、噪聲大、可靠性低等問題。微小型電動機與微小型火箭發(fā)動機結構簡單、易于制造，較易實現微小型化，一般用于尺寸更小的微小型飛行器。微小型電動機具有重復多次使用的特點，適用的范圍與領域更加廣泛。微小型火箭發(fā)動機僅能單次使用，多數用于微小型打擊武器上。此外，往復化學肌肉、電致伸縮人造肌肉、彈性動力和熱電動力等新技術目前也在研究中。

作為動力裝置的能量來源，微小型飛行器對動力能源的要求是能量密度高、體積小、質量輕、總能量大，可保證飛行速度和續(xù)航時間。現在微小型飛行器的能量來源主要有礦物燃料、化學能和太陽能等。礦物燃料的能量密度高，價格便宜，但存儲較困難。化學能是微小型飛行器必不可少的能量來源。除了微小型電動機，微小型飛行器上的控制系統、信息傳輸系統都需要化學能驅動。微小型飛行器常用的化學能有蓄電池、一次性化學電池和燃料電池等。鋰離子電池是目前微小型飛行器最常用的化學能，能量密度為0.2～0.3W·h/g。微小型飛行器使用的鋰離子電池的型號及相關參數見表1.2。總體而言，在整個微小型飛行器中，電池部分所占比例很大，為30%～60%，若采用固態(tài)氧化物燃料電池，雖然能量密度可比普通電池高2～4倍，但總能量和能量釋放率仍有待提高。

由于太陽能電池的能量轉換效率低，微小型飛行器的表面面積不大，因此提供的能量有限，通常將其作為輔助能量來源，一般將太陽能電池膜覆蓋在微小型飛行器機翼表面上，以節(jié)省內部空間，同時能夠最大程度降低對微小型飛行器氣動外形的影響。

關于微小型飛行器化學能的供應管理和節(jié)能問題目前仍有待深入研究。

（7）抗干擾穩(wěn)定技術

微小型飛行器由于尺寸小、飛行速度低，質量和轉動慣量都很小，因此抵抗空氣擾動的能力很弱，無人機常規(guī)的比例-積分-微分（PID）控制方法己不適用，必須根據不同的類型，甚至不同的特定微小型飛行器建立智能飛行控制方法。常見的微小型飛行器穩(wěn)定控制方法——在線神經網絡動態(tài)逆自適應控制方法的系統結構如圖1.10所示。

基于自適應逆的微小型飛行器控制系統結構圖如圖1.11所示。控制器主要由動態(tài)逆控制器、PD補償器、神經網絡補償器和偽控制補償器組成。動態(tài)逆控制器把偽控制信號轉化為期望控制量；神經網絡補償器可補償由于模型不精確所引起的逆誤差；偽控制補償器將由作動器引起的偽控制誤差引入參考模型中，消除作動器飽和對自適應單元的影響。

（8）自主導航與避障技術

微小型飛行器所設定的一些任務模式決定其常常需要在操縱者的視線之外飛行。這就意味著微小型飛行器必須具備自主式的導航系統。該系統的研制難度極高，一方面控制導航系統的復雜程度很高，另一方面又要求體積和質量要盡量小，以不影響微小型飛行器的正常飛行。光流避障技術是近幾年研究較多的避障方法。下面簡單介紹一下其中的技術難點——基于光流的深度估計算法的基本原理。

①光流大小與深度關系數學建模。

光流是空間運動物體在觀察成像平面上的像素運動的瞬時速度，是利用圖像序列中像素在時間域上的變化及相鄰幀之間的相關性來找到上一幀與當前幀之間存在的對應關系，從而計算出相鄰幀之間物體的運動信息的一種方法。一般而言，光流是由于場景中前景目標本身的移動、相機的運動，或者兩者的共同運動所產生的。光流大小與深度關系如圖1.12所示。

對光流的研究是利用圖像序列中像素強度數據的時域變化和相關性來確定各自像素位置的“運動”的。研究光流場的目的就是為了從圖片序列中近似得到不能直接得到的運動場。

光流法的前提假設：

a.相鄰幀之間的亮度恒定；

b.相鄰視頻幀的取幀時間連續(xù)，或者相鄰幀之間物體的運動比較“微小”；

c.保持空間一致性，即同一子圖像的像素點具有相同的運動。

這里的運動場其實就是物體在三維真實世界中的運動；光流場是運動場在二維圖像平面上的投影。

②圖像膨脹中心（FOE）估計。

圖像膨脹中心（FOE）并不一定在圖像的中心，要實現FOE估計，首先要提取Harris角點，估計角點稀疏光流，其好處在于角點處的光流提取精度較高，然后檢測圖像中每行每列光流的正負跳變點，并加以平均得出FOE，如圖1.13所示。圖中，FOE是圖像中光流變化的發(fā)生源；用箭頭標識光流。

圖像角點檢測的目的在于檢測圖像中紋理性強的區(qū)域。這類區(qū)域通常存在于邊緣交界處、被遮擋的邊緣和紋理性很強的圖像內部區(qū)域等。這些區(qū)域由于在圖像信息匹配時提供的信息可分辨性較強，因此匹配比較容易。相比一些無紋理特征的區(qū)域，即高頻信息很弱的區(qū)域，角點區(qū)域的圖像匹配能力明顯更強。圖像Harris角點檢測結果如圖1.14所示。

在攝像機沿光軸運動的情況下，FOE沒有光流，其周圍的光流方向都是向外擴散的，距離FOE越遠，光流值越大。理論上，所有光流向量所在的直線都經過FOE。因此，FOE可通過求兩條光流向量所在直線的交點確定。由于任何微小的擾動都可能導致測量錯誤，所以由所有角點的光流方向共同確定的FOE更準確。對于FOE左側的點，其光流向量的水平分量指向左側；對于FOE右側的點，其光流向量的水平分量指向右側。在FOE所在的垂直直線上，光流向量的水平分量會有正、負值之間的跳變，被稱為水平跳變。同理，在FOE所在的水平直線上存在垂直跳變，可以利用兩條直線的交點求取FOE。實際的場景中都存在噪聲，所有的跳變點不一定都分布在同一直線上，此時可分別記錄水平和垂直方向的跳變點坐標，對于同時產生水平、垂直跳變的坐標求平均值即可作為實際的FOE。實際場景中的FOE如圖1.15所示。為了更清晰地顯示光流向量的特征，將光流值放大3倍顯示。

（9）光電傳感器與圖像傳輸技術

微小型飛行器最常用的功能是作為偵察、監(jiān)測工具，所獲得的信息是探測系統通過光電信號提供的。光電傳感器可提供完整的實時圖像信息。能夠在復雜的飛行環(huán)境中實現高質量的圖像探測與識別將是微小型飛行器滿足未來信息戰(zhàn)的一項關鍵技術。

由于微小型飛行器的體積小，嚴重限制了任務載荷容量，因而對于小體積的微小型飛行器，光電類任務載荷一般采用與微小型飛行器捷聯固定方式。這就要求成像器應具有寬成像視場（數十度）、較高的圖像分辨率（1024×1024或更高），以實現對較大范圍內的成像覆蓋和高分辨成像能力，在低速飛行狀態(tài)時，氣流擾動、微型飛行器本體振動對攝像質量會有影響，需適當采取減振和穩(wěn)像處理，并采用動態(tài)性能好的圖像傳感器以提高成像質量。

目前，微型光電類任務載荷主要采用CCD和CMOS兩種傳感器作為光電轉換器件。與CCD相比，CMOS實現了光敏組件陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模/數轉換電路、圖像信號處理器的高度集成，具有體積小、低功耗、寬動態(tài)范圍、外圍電路簡單等特點，是實現微小型飛行器微型攝像的理想途徑。目前采用1/3英寸的超微型攝像機，其靶面尺寸為寬13mm×高13mm，對角線為6mm，質量為幾克，隨著1/5英寸、1/6英寸及更小尺寸圖像傳感器芯片的應用，將會進一步縮小攝像機的體積，預計可做到現有體積的2/3及以下。基于CMOS的微型攝像載荷組成框圖如圖1.16所示。CMOS微型攝像載荷主要由以下幾部分構成：光學系統、CMOS圖像傳感器、電源濾波電路、SCCB接口等。

由于體積、功耗的限制，微小型飛行器較難采用自動識別和匹配的處理方式，為實現探測任務，一般需要將數據記錄回收或直接通過數據鏈路將壓縮視頻回傳地面進行人在回路確認。為了能夠將探測到的圖像信息實時回傳至地面端的監(jiān)控系統，微小型飛行器需要搭載視頻圖像傳輸設備，其所消耗的電能一般占整個微小型飛行器所需總電能的1/5。微小型飛行器光電攝像與無線傳輸系統組成框圖如圖1.17所示，通過微小型飛行器的微型攝像頭拍攝地面的情況，由微型視頻發(fā)射機將視頻信號實時發(fā)送回地面站，實現對飛過地區(qū)的探測。目前，微小型飛行器的尺寸越來越小，傳輸規(guī)定帶寬視頻圖像的電能卻不能減少，因此通過調節(jié)圖像幀速率和采用可轉向的天線，或者發(fā)展完善的數據壓縮技術等方法，可以在一定程度上減少用于數據傳輸的電能。另外，飛行器微小型化后所帶來發(fā)射功率的減小和器件處理能力的損失，均使數據傳輸距離和傳輸速度受到限制。實現圖像信息的實時處理與遠距離傳輸，并在復雜的干擾環(huán)境中有效避免圖像數據丟包或具有強大的數據糾錯等功能，將是微小型飛行器執(zhí)行探測任務的難點。

微小型飛行器的部件微小型化及系統集成技術均遠超常規(guī)飛行器。其機體容積和承載質量十分有限，可以攜帶的機載設備和有效載荷受到極大限制。因此，要實現微小型飛行器的進一步小型化和輕量化，必須實現微小型飛行器各部件及機載部件的微小型化。

近年來，借助微納米科技與MEMS技術的發(fā)展，微小型飛行器各部件和機載部件的微小型化已取得不少進展。其主要分為兩類：一類是飛行控制導航所用的傳感器，如陀螺和加速度計、磁強計、氣壓計、溫度傳感器及微處理計算機芯片等；另一類是對外探測傳感器，如微小型可見光攝像機、熱成像儀、紅外探測儀、超聲波測距儀、毫米波測距儀、激光測距儀等。除了傳感器感知部件本身采用MEMS技術進行微小型化，通過結構設計或加工工藝也可以將傳感器的外圍電路制成芯片，甚至兩者都集成在單個芯片上，能夠進一步提升微小型飛行器機載部件的微小型化。

微型信息處理模塊、微型數據存儲模塊、微型慣導模塊實物圖如圖1.18所示。

由于微小型飛行器的體積限制，因此不能像常規(guī)飛行器那樣將各種部件和功能模塊簡單地安裝在機體內。從微小型飛行器的設計要求和所需具備的功能來看，微小型飛行器應是各種多功能系統高度集成的復雜系統，包括各微小型部件的高度集成、有效載荷的高度集成和各種功能模塊之間的最小限度集成等。

微納米科技與MEMS技術的發(fā)展有利推動了微小型飛行器的系統集成化與多功能化。然而，采用微納米科技與MEMS技術具有很高的復雜性，如MEMS本身的微小化及跨學科、高度集成特性等所帶來的相關設計的復雜性，以及MEMS微細加工方法對設計所增加的新的制約等，使微小型飛行器的設計與集成變得更加復雜。

系統的高度集成必然會存在各微小型部件或多功能模塊之間的耦合及其他相互干擾因素，例如數據鏈通信系統中的高頻信號可能對數字計算單元造成高頻信號耦合干擾，大功率模擬電路中的瞬間大電流過載可能對數字電路的信號處理造成脈沖干擾。除了干擾因素之外，系統高度集成所造成的散熱問題也應值得深入研究。因此，如何克服這些難題以保證系統正常工作，將是MEMS用于微小型飛行器所要解決的關鍵問題。

此外，由于系統高度集成所帶來的結構設計和加工工藝方面的限制，微小型部件和功能模塊的精度通常較低，所探測的信息有時誤差比較大。通過理論研究和試驗設計的方法對誤差進行分析和建模，并進一步對誤差進行補償以提高使用精度是改善微小型部件和功能模塊特性的有效手段。

（10）組網協同技術

微小型飛行器的特點決定了自身載荷能力受限，使其在單獨執(zhí)行任務時的能力也將受到限制。因此，微小型飛行器采用集群協同技術執(zhí)行任務將是未來的主要使用方式。這就需要通過通信網絡將大量微小型飛行器組網并協同執(zhí)行任務。微小型飛行器組網協同主要涉及協同制導控制、載荷及數據鏈等關鍵技術。

①協同制導控制技術。

協同制導控制技術是實現微小型飛行器協同飛行的基礎技術，可保證多個微小型飛行器在自然和人為干擾等不確定的條件下協同飛行，如在風干擾、地形障礙、通信中斷等條件下不發(fā)生碰撞。目前相關的研究主要集中在分布式協同制導控制技術方面。分布式協同制導與控制系統結構如圖1.19所示。協同制導控制技術的優(yōu)勢在于微小型飛行器僅需一定范圍內的鄰居信息作為控制的輸入，并不需要全局信息，從而降低了對通信手段連通度的需求。此外，其控制策略運行是分布在所有集群內微小型飛行器上的，沒有集中的處理單元，在部分單元受損的情況下并不影響其他單元繼續(xù)執(zhí)行任務，抗損傷能力強。

②基于協同的多任務載荷應用技術。

微小型飛行器集群協同的多任務屬性決定了平臺必須配備多種任務載荷，以實現廣域、廣譜信息探測、干擾壓制等多種不同功能，并通過組成多節(jié)點、分布式群組，增大測量基線、擴大作用范圍、提升壓制強度，達到執(zhí)行效能倍增的目的，因此需要研究基于協同的多任務載荷應用技術，實現分布式載荷網絡化、有序化。基于協同的多任務載荷應用技術的難點在于：

a.多任務載荷之間存在時間與空間的一致性問題，特別是探測和欺騙類任務，對時間與空間的一致精度要求很高，否則探測精度或模擬特征會受到較大影響；

b.多任務載荷之間以無線鏈路為紐帶，數據傳輸存在不同的時延，直接影響多節(jié)點異地信息的還原精度；

c.不同體制載荷在相互配合制定任務時，需要進行快速實時的目標關聯、信息統一和數據融合，對載荷信息處理和計算能力提出了較高要求。

為了達到高度智能化、無限度提升微小型飛行器的計算能力，將會帶來成本大幅增加、效費比降低的代價，需通過對多體制的探測類載荷、干擾欺騙類載荷及其他新體制載荷和數據鏈在多任務狀態(tài)下的協同應用技術進行攻關，研制多任務智能傳感器，降低系統復雜度和使用成本，提升微小型飛行器集群協同執(zhí)行任務的技術成熟度。

微小型飛行器的研究范疇涉及空氣動力學、能源、電子、機械、制造、材料、控制、信息等諸多學科。其發(fā)展過程與集群協同技術、模塊化技術、數據鏈技術有著密不可分、相互促進的關系。綜觀微小型飛行器的研究現狀和相關技術的發(fā)展趨勢，可以預見，微小型飛行器未來的研究將朝著多樣化、仿生化、集群化、智能化等方向發(fā)展。未來，待各相關技術發(fā)展成熟后，微小型飛行器即可在軍事和民用領域獲得廣泛應用。

3．微小型水下機器人的關鍵技術

微小型水下機器人是一種技術密集性高、系統性強的工程，涉及的專業(yè)學科多達幾十種，主要包括仿真技術、智能控制技術、探測識別系統、導航（定位）技術、通信技術、能源系統等，如圖1.20所示。

（1）仿真技術

由于微小型水下機器人的工作區(qū)域為不可接近的海洋環(huán)境，環(huán)境的復雜性使得研究人員對微小型水下機器人硬件與軟件體系的研究和測試比較困難。因此在微小型水下機器人的方案設計階段，研究人員進行仿真技術研究的內容分為兩部分。

其一，平臺運動仿真：按給定的技術指標和微小型水下機器人的工作方式設計平臺外形，并進行流體動力試驗，獲得仿真所用的水動力參數。一旦建立了運動數學模型、確定了邊界條件，就能用水動力參數和工況進行運動仿真，解算各種工況下平臺的動態(tài)響應。如果根據技術指標評估出平臺運動狀態(tài)與預期相比存在差異，則可在調整平臺尺寸、重心、浮心等技術參數后，再次仿真，直至滿足要求為止。

其二，控制硬件和軟件的仿真：在控制硬件和軟件裝入平臺前，先在實驗室對單機性能進行檢測，再將集成后的系統在仿真器上進行陸地模擬仿真試驗，評估仿真后的性能，以降低在水中對控制系統調試和檢測所產生的巨大風險。內容包括密封、抗干擾、機電匹配、軟件調試。仿真器主要由模擬平臺、等效載荷、模擬通信接口、仿真工作站等組成。

（2）智能控制技術

智能控制技術旨在提高微小型水下機器人的自主性，是人工智能技術、各種控制技術的集成，相當于人類的大腦和神經系統。其軟件體系是微小型水下機器人的總體集成和系統調度，直接影響智能水平，涉及基礎模塊的選取、模塊之間的關系、數據（信息）與控制流、通信接口協議、全局性信息資源的管理及總體調度機構。

（3）探測識別系統

目前，微小型水下機器人用于水下目標探測與識別的設備僅限于合成孔徑聲吶、前視聲吶和三維成像聲吶等水聲設備。

合成孔徑聲吶用時間換空間，以小孔徑獲取大孔徑聲基陣，非常適合尺度不大的微小型水下機器人，可用于探測、高分辨率成像、大面積地形地貌測量等。

由前視聲吶組成的自主探測系統是指圖像采集和處理系統，在水下計算機網絡的管理下，自主采集和識別目標圖像信息，實現對目標的跟蹤和對微小型水下機器人的引導，通過不斷的試錯，找出用于水下目標圖像特征提取和匹配的方法，建立數個目標數據庫，特別是在目標圖像像素點較少的情況下，可較好地解決數個目標的分類和識別，能提供目標與微小型水下機器人的距離和方位，為微小型水下機器人避碰與作業(yè)提供依據。

三維成像聲吶用于水下目標的識別，是一個全數字化、可編程、具有靈活性和易修改的模塊化系統，可以獲得水下目標的形狀信息，為識別水下目標提供有利依據。

（4）導航（定位）技術

用于自主式微小型水下機器人的導航系統有多種，如慣性導航系統、重力導航系統、海底地形導航系統、地磁場導航系統、引力導航系統、長基線、短基線及由光纖陀螺與多普勒計程儀組成的推算系統等。由于價格和技術等原因，目前被普遍看好的是由光纖陀螺與多普勒計程儀組成的推算系統。該系統無論從價格上、尺度上和精度上，都能滿足微小型水下機器人的使用要求。目前國內外都在加大力度研制。

（5）通信技術

目前微小型水下機器人的通信方式主要有光纖通信、水聲通信。

光纖通信由光端機（水面）、水下光端機、光纜組成。其優(yōu)點是傳輸數據率高（100Mb/s），具有很好的抗干擾能力；缺點是限制了微小型水下機器人的工作距離和可操縱性，一般用于帶纜的微小型水下機器人。

水聲通信是微小型水下機器人實現中遠距離通信的唯一且比較理想的通信方式。實現水聲通信最主要的障礙是隨機多途干擾，若要滿足較大范圍和高數據率的傳輸要求，則需解決多項技術難題。

（6）能源系統

微小型水下機器人，特別是續(xù)航能力大的自主航行微小型水下機器人，對能源系統的要求是體積小、質量輕、能量密度高、多次反復使用、安全、低成本。目前的能源系統主要包括熱系統和電-化能源系統。

熱系統可將能源轉換成微小型水下機器人所需的熱能和機械能，包括封閉式循環(huán)、化學和核系統。其中由化學反應（鉛酸電池、銀鋅電池、鋰電池）給微小型水下機器人提供能源是現今比較實用的方法。

電-化能源系統可利用質子交換膜燃料電池來滿足微小型水下機器人動力裝置所需的能源，能量密度大，可高效產生電能，工作時熱量少，能快速啟動和關閉；缺點是目前仍缺少合適的安靜泵、氣體管路布置、固態(tài)電解液及燃料和氧化劑的有效存儲方法。隨著燃料電池的不斷發(fā)展，該系統有望成為微小型水下機器人的主導性能源系統。

4．微小型衛(wèi)星的關鍵技術

按照多年來的傳統概念，衛(wèi)星是由有效載荷、結構本體、熱控制、姿態(tài)與軌道控制、電源、跟蹤遙測與遙控、數據管理等具有不同功能的分系統組成的，而分系統又由各自的儀器、設備和部件組成。設備（部件）與設備（部件）之間、分系統與分系統之間存在著各種不同的機、電、熱的接口。所以，衛(wèi)星是一個相當復雜的系統。

隨著微電子技術、輕型材料的發(fā)展，特別是空間多功能結構和微電子機械系統的誕生，為未來衛(wèi)星的小型化、微型化開辟了一條全新的道路。

首先，組成衛(wèi)星的大多數功能分系統將簡化、縮小成一個功能模塊或由幾個模功能塊組成。有的功能模塊可能是相對獨立的單個部件，如天線、太陽電池陣、微型感知儀器；有的功能模塊是執(zhí)行服務功能的部件。除了天線反射器、推進劑箱、太陽電池陣等少數簡單的機械產品，絕大多數功能模塊基本上都是由一定數量的機械、電子及光學等部件組成的集成產品。

其次，構成微小型衛(wèi)星的最基本單元將不再是分立的元器件、零部件，而是多芯片模塊及其組合（疊層式多芯片模塊）。多芯片模塊及其組合的推廣應用有可能使整個功能模塊的尺寸縮小到只有目前單個元器件的大小。

多芯片模塊及其組合的應用只解決了元器件、部件及分系統本身的微型化。多芯片模塊之間、多芯片模塊組合之間及功能模塊之間的連接和封裝仍然是衛(wèi)星微型化道路上的攔路虎。因此，在發(fā)展多芯片模塊的同時，對電子元器件的連接和封裝技術也要進行研究與創(chuàng)新，并提出了一種新的被稱為“集成公用模塊”的技術。

（1）集成公用模塊

在傳統的衛(wèi)星中，電子類分系統及其部件是與機械類分系統及其部件分別研制的。集成公用模塊的主要特點是將電子、機械、熱工等不同性質的部件，以充分集成的方式進行設計、加工和制造，以多芯片模塊及其組合為核心，將承載、支架、連接、數傳、熱控、供電等輔助性功能，都集成在一個小體積、輕質量、無電纜的模塊中。這個模塊就稱為集成公用模塊。所謂公用是指模塊不僅具有電子功能，而且具有結構支架、容器、承受外載荷、尺寸保持、熱管理、電源分配、數據管理、信號傳輸、抗輻射加固和微流星防護及其他必要的機電功能。

集成公用模塊的組成根據功能要求不同，可能是單一的多芯片模塊，也可能是多個多芯片模塊組合（疊層）。

集成公用模塊的發(fā)展是建立在近年來許多微型化技術取得重大進展的基礎上的。這些微型化技術包括無電纜連接、多功能結構、先進的輕型材料、自主熱管理、多芯片模塊、微電子機械系統及集成設計分析與仿真等。

集成公用模塊的出現和應用不僅可推動微小型衛(wèi)星及其星載儀器、設備在質量、體積、故障率和全壽命成本等方面成數量級的減小和降低，而且將促使微小型衛(wèi)星的設計環(huán)境發(fā)生深刻的變化，即引入計算智能工具，如模糊邏輯、神經網絡和遺傳算法等。

（2）無電纜連接

如前所述，開發(fā)集成公用模塊技術的主要關鍵在于解決電連接的難題。由集成公用模塊組成功能模塊的（IUM功能模塊）電連接可分為兩級：第一級是同一個IUM功能模塊上的多芯片模塊及其組合之間的連接、多芯片模塊及其組合與機械硬件之間的連接，如電源分配和數據傳輸等；第二級是IUM功能模塊之間的電連接。在目前的衛(wèi)星上，電子部件、印刷電路板及電子分系統之間都是通過電纜和電連接器（接插件）實現電連接的，許多分散的電纜往往被捆綁在一起，蔓延在衛(wèi)星的各部分，甚至分系統和設備（部件）的內部，構成電纜網。分系統內部的電連接通常用印刷電路板、焊接接縫和引線、離散的導線等來實現。印刷電路板基本上是專門設計制造的。電子部件與印刷電路板之間通常用周圍的引線和焊片焊接。這種連接方式的優(yōu)點是結實、牢靠。但是電纜的質量、體積和功耗都不小，存在著較嚴重的電磁干擾，而且焊接、檢測等工作量大，未來的微小型衛(wèi)星和微小型儀器、設備很難繼續(xù)沿用這種連接方式，必須采取創(chuàng)新措施。根據NASA對民用衛(wèi)星的統計，在目前典型的衛(wèi)星上，電纜網（包括電纜、配電器和電連接器）的質量占總質量的6%～10%，而其中的30%又是電連接器和焊點（縫）的質量。隨著衛(wèi)星及其星載電子分系統和其他機電系統尺寸的縮小，質量的減輕，這種按傳統方式設計的電纜網在質量上所占的比例將顯著降低。

另一方面，傳統電纜網的設計在制造、裝配及總裝、測試過程中，焊接和檢測等工作量大，周期長，與“較快、較好、較省”地研制和發(fā)射衛(wèi)星的要求不相適應。減少電纜連接、檢測等工作，不僅可以減少工時、提高工效、降低成本，而且能防止或減少人員的操作失誤，有利于提高衛(wèi)星的可靠性。為此，首先要對多芯片模塊及其組合的電氣和機械接口采用標準化設計，使IUM功能模塊能方便地實現重新組合和重新工作。多芯片模塊及其組合接口的標準化設計必須考慮具體的機、電、熱的要求，并應能根據不同衛(wèi)星的需要，進行適應性的剪裁和修改。無電纜連接的基本原理是將電連接和熱管理都集成在支承（或保護）結構中，目前正在多芯片模塊及其組合這一層次上進行試驗。若將該技術擴展到多芯片模塊及其組合之間、IUM功能模塊之間，則會使衛(wèi)星成為一個無電纜系統。

（3）多功能結構與先進的輕型材料

在面向21世紀的微小型衛(wèi)星的設計中，減輕質量的新思路可突破結構只用于承受力的老觀念，從而賦予結構以新的功能。這就是所謂的多功能結構。實際上，多功能結構在衛(wèi)星中的應用已有多年。例如，衛(wèi)星結構壁板可用作太陽電池陣的基板或熱控制的輻射器，衛(wèi)星的中心結構兼有推進劑存儲箱的功能等。石墨環(huán)氧復合材料在衛(wèi)星上已普遍采用，技術日臻成熟。目前正在研究多功能的石墨環(huán)氧復合材料結構。復合材料結構有一個很有用的特點，就是能把微型傳感器、作動器等微型部件嵌裝在夾層中，既節(jié)省空間，又可提高對外載荷的承受力。近期，多功能結構的研究重點是如何將集成電路嵌裝在復合材料的夾層結構中，尋求高比強度和高比剛度的結構材料是衛(wèi)星結構設計師永恒的奮斗目標。近年來，正在開發(fā)的輕型材料有碳化硅、硅氣凝膠和充氣結構用的薄膜材料。碳化硅是一種具有高熱導性、高比模量和尺寸穩(wěn)定性好的空間結構材料，現已在衛(wèi)星和星載儀器上得到實際應用。例如，深空探測用的冥王星集成相機光譜計的光學部件和結構部件的材料用的就是熱壓碳化硅，在結構連接件和緊固件中也已使用了碳化硅材料。碳化硅多層結構的加工工藝和有關碳化硅機械性能的數據庫也先后建立。硅氣凝膠環(huán)氧復合材料也是一種很有前途的輕型結構材料，目前已用于火星巡視器的暖電子儀器箱。硅氣凝膠環(huán)氧復合材料的密度非常低，導熱系數很小，能滿足深空探測器對結構的輕質量和熱適應能力強的要求。

（4）自主熱管理和熱控系統

為了降低軌道運行管理費用，未來的衛(wèi)星必須大力提高自主和智能化管理能力。衛(wèi)星自主功能的主要內容之一是自主熱管理，即星載熱控制系統能自動、實時對實際飛行環(huán)境做出響應，使艙內的儀器、設備在任何工作環(huán)境下都能維持在規(guī)定的溫度范圍，不需要依賴地面的遙測、遙控。目前，衛(wèi)星的熱管理是采用在地面設計和預先調試好的方式。在軌道運行期間，衛(wèi)星基本沒有自動調節(jié)溫度和修改加熱器工作時間的能力。熱控裝置和部件的微型化是衛(wèi)星微型化的關鍵之一。特別是為了散發(fā)體積和表面積都很小的多芯片模塊及其組合所產生的熱量，必須研制相應的微小型熱管、熱開關等微型熱控部件。為滿足微型計算機等電子產品開發(fā)的需求，一些商用高密度電子元器件的熱控制部件、輕巧熱控涂層、微相變材料及極高導熱率基材等都正在積極地進行研究開發(fā)。集成公用模塊將充分利用這些商業(yè)上的研究成果，研制能嵌裝在多功能結構中的微型熱控裝置和部件，開發(fā)自主熱控制的硬件和軟件。

（5）高密度電子線路封裝和連接

為了滿足不同衛(wèi)星的要求，傳統的空間電子線路通常采用專門設計的非標準線路。由于未來微小型衛(wèi)星對電子線路的尺寸和質量的限制越來越嚴格，現有的無論標準的還是非標準的電子線路封裝和連接方式——在印刷電路板上進行元器件的表面安裝都不要求，已經開發(fā)的一些高密度電連接和封裝技術，如可擴散基片、低溫共燃陶瓷、氣相淀積金剛石膜、柔性連接器等經過改進后，可以考慮在微小型衛(wèi)星上應用。

此外，衛(wèi)星上使用的高性能多芯片模塊，如果連接部分尺寸大，則必然影響信息傳遞，使性能降低，因此，必須發(fā)展能在單塊基片上使用的連接陣技術，改進焊接、膠接、磁帶自動繞緊、零插入力型電連接器及細絕緣線束所需的材料和制造工藝。

目前，以多芯片模塊為基礎的高密度封裝技術日趨成熟，下一步主要是電源分配和數據傳輸等電連接的標準化。通常電源分配采用鋁或銅金屬介質，數據傳輸采用聚合物介質。

多芯片模塊組合采用硅作為基片材料和直接模塊固定方式。現有的電源和數據連接技術還有待改進。例如，雖然某些多芯片模塊使用的銅金屬介質連接具有較高的載流能力，但是可加工性和工藝可靠性均有待提高。金剛石薄膜值得進一步開發(fā)。其熱特性需要更精確地測定。為了實現IUM功能模塊連接層所要求的高密度，還需要開展細導線、薄膜層和薄膜淀積基片等材料和工藝的研究。

（6）集成設計環(huán)境與設計研制程序

目前，集成設計技術還停留在應用各種能產生大量的、離散數據的工具上。這些工具不能適應協調的、集成化的分析應用，不能通過對設計意圖的化解產生設計決策。因此，在集成設計技術領域，當前亟待加強的工作是，開發(fā)一種能通過掌握和化解設計意圖，較快地產生多種設計方案，以便對空間設計進行系統研究，并提供IUM功能模塊真實的設計環(huán)境工具。

近20多年來，計算機輔助設計日益普及，已成為設計各類硬件和軟件的主要工具。迄今，大型衛(wèi)星的設計費用大部分是花費在需求分析、多方案設計與分析、可制造性分析、提供設計文件等方面。如何更廣泛地利用計算機來完成這些設計，降低設計費用，還未引起足夠重視。

實踐表明，設計人員只要能掌握和使用數據庫，就可以很快設計出多種方案，并從中選出最優(yōu)的方案。任何一項工程自始至終都離不開數據庫，關鍵在于如何應用和維護好數據庫。雖然已經有許多商業(yè)性數據庫可用于管理具體的計劃，但是還缺少一個能把這些商業(yè)數據庫集成在一起，構成一個無縫環(huán)境，并能在這個集成環(huán)境內進行分析的系統。

美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）噴氣推進實驗室正在開發(fā)一種用于管理整個計劃的研制和應用過程的集成信息系統。該系統由硬件、軟件和網絡組成，名為“多學科設計輔助系統（Multidisciplinary Integrated Design Assistant for Spacecraft，MIDAS）”，是建立一個集成設計環(huán)境的初步嘗試，可用來構造一個包括各種規(guī)范、以前的設計、采購的硬件及分析工具的數據庫。MIDAS將提供一種能夠自動完成多種設計、繪制成套部件工程圖的集成設計手段。只要輸入一組新的原始數據，就可立即生成一個新的設計，所產生的設計圖樣具有較高的可加工性、可試驗性和效費比。MIDAS還可提供試驗計劃、采購程序、使用手冊、設計規(guī)范及可以交付加工的全部設計文件和圖樣。這種集成設計環(huán)境的開發(fā)成功，將大大加速衛(wèi)星的研制，使研制周期從原來的幾年縮短到幾個月，同時還可以大大提高設計質量。

此外，在衛(wèi)星及其儀器、設備的研制中還將引入計算智能工具，如模糊邏輯、人工神經網絡、遺傳算法和合成工具（神經-模糊建模），進一步提高集成設計環(huán)境對處理不確定性、非線性和實現優(yōu)化的能力。設計與研制程序的第一步為根據衛(wèi)星的飛行任務要求，確定IUM功能模塊的功能和設計要求；根據電源分配和數據傳輸要求，進行IUM功能模塊內部和IUM功能模塊之間的連接設計。數據傳輸要求是選擇電連接技術方案的主要依據。其他的設計要求還有模塊化設計、重新工作設計、多芯片模塊及其組件內部或相互之間的標準化接口及嚴格限制的質量和尺寸。特別是最后兩項要求是確定IUM功能模塊材料選擇和設計配置的最重要依據。

第二步為根據衛(wèi)星總體對IUM功能模塊的要求，確定需采用的關鍵技術。例如，①先進輕型材料的選用；②能嵌裝在薄壁結構中的微型熱控裝置和自主熱管理技術；③無電纜的電源和數據連接；④可編程芯片，用于對電源、數傳和熱流等參數進行自主控制。

第三步為開發(fā)集成設計環(huán)境。在集成設計環(huán)境的支持下，對IUM功能模塊的設計方案進行綜合分析和優(yōu)化，提出IUM功能模塊的最終配置方案。目前，國外已經開發(fā)的、功能較強的分析軟件就是MIDAS。利用MIDAS和其他有關軟件，可以對IUM功能模塊的結構、熱管理、互連接性、微流星防護、抗輻射加固等進行綜合分析研究，提出優(yōu)化設計方案。

第四步為開展實驗室驗證。在開發(fā)集成設計環(huán)境的同時，要及時安排實驗室的驗證工作，以便建立功能模塊的模型，驗證模型的假設，證實模型的預示特性。實驗室驗證的內容包括功能模塊的系統級分析、材料特性、連接性、接觸力及MIDAS分析工具的進一步完善。MIDAS分析工具經過驗證后，不僅可用于指導優(yōu)化設計，而且有利于縮短IUM功能模塊樣機的研制周期。

第五步為完成初步設計和詳細設計。根據第三步和第四步中確定的最優(yōu)方案，完成初步設計及其評審，同時進行部件級的詳細設計，完成制造和裝配工程圖樣。在詳細設計階段，完成IUM功能模塊試驗板（初樣）的研制，達到預定的功能和性能指標，并對試驗板裝置進行鑒定級環(huán)境試驗，主要考驗機、電接口。功能模塊試驗板還將用于檢驗制造工藝、質量控制、裝配測試等研制流程，通過檢驗發(fā)現問題，修改和完善研制流程，為IUM功能模塊正樣研制創(chuàng)造條件。

最后，正樣研制。IUM功能模塊經過關鍵技術評審后，方可開始正樣的制造和裝配。對裝配好的IUM功能模塊應逐塊進行功能測試和驗收級環(huán)境試驗，通過后才能交付總裝。