微小型无人系统技术

1课程报告课程名称：无人作战论文题目：微小型无人系统技术的发展现状及其重要意义学生姓名：潘子龙学生学号：14070049院系队别：七院五队2015年5月20日2微小型无人系统技术的发展现状及其重要意义摘要本文从微小型无人系统的内涵出发，阐述了包括微小型飞行器、微小型机器人、微小型水下无人航行器和微小型航天器等微小型无人系统的国内外发展现状，着重介绍了发展微小型无人系统的战略地位、重要意义及微小型无人系统的重要作用。关键词：微小型；无人系统一、微小型无人系统发展背景国际上产业与军事部分的科学家、战略思想家和未来学家们以为：“五种经常重叠的技术最有可能在今后15～20年使军队发生革命性的变化。这五种技术为：机器人技术、先进的动力与推进技术、微型化技术、移动和自适应数字网络、飞速发展的生物科学。”微小型无人系统就是二十世纪九十年代由美国等国家开始发展的融合了上述技术的新概念武器，它不但在基础理论、设计、制造与试验技术等方面是革命性创新，而且将对二十一世纪的战争模式带来革命性的影响。二、微小型无人系统的研究重点微小型无人系统技术的内涵是：根据无人系统的特殊功能和特性，应用微机电系统（MEMS）、机器人、传感器、控制等先进技术，综合集成为微小型无人系统的光机电一体化技术。目前研究的重点是：微型飞行器、微小型机器人、微小型水下无人航行器和微小型航天器等。下面将详细介绍国内外的研究进展。31、微型飞行器技术微型飞行器(MAV)的概念是由美国于二十世纪九十年代最先提出的，并进行了可行性论证，要求微型飞行器最大尺寸为15cm，重量在百克以下，航程大于10km，最高时速达80km/h，最高飞行高度可达150m。同时还应有导航及通讯能力，可用手掷、炮射或飞机部署，具有侦察成像、电磁干扰等作战效能，一次性使用的微型飞行器的价格计划在1000美元以下。目前美国国防高级研究计划局DARPA有十余项微型飞行器研究计划正在进行，包括固定翼、旋翼和扑翼式微型飞行器，图1所示就是其中几种较典型的微型飞行器。图1微型飞行器例如在阿富汗战场上，美军已开始使用一种名为“微星”的微型飞行器进行情报收集，海军陆战队士兵可以通过便携式电脑操纵“微星”，可侦察前方5km的情况。如图2所示，“仿昆虫机器人”是微型飞行器的一个新概念，在九十年代初被提出。4图2仿昆虫机器人它是基于对昆虫运动机理的分析，按照一种新的设计思想去设计的（图2a）。另外美国国防部还投资10亿美元研究如何利用昆虫进行侦察，在昆虫身上装上微型摄像机，然后用遥控器控制昆虫飞行（图2b），这样不仅可实现侦察，也可对人无法进入的地区进行探测。2、微小型机器人技术我们对微小型机器人这个概念和内涵的看法是：基于微机电技术，有拟人功能，代替人完成任务的光机电一体化系统。尺寸一般为米级以下，可自主、半自主或人工远控工作。(1)微小型固定机器人所谓固定式微小型机器人，其实是一种固定不动的侦察机器人（或称侦察传感器系统），其外形可做成类似石头、树木、花草的样子容貌，内部装有微型图像、红外、地震、磁场、音响等各种传感器，可以“东张西望”，探测出物体的图像、人体辐射、行走时地面的震动、金属移动物体磁场的变化等，并将各种信息传送给指挥部。敌方即使见到，也很难想到它们竟会是对方的侦察兵。而一旦知道对方有这种装备，反而会疑神疑鬼，草木皆兵。“智能尘埃”是微小型固定机器人的一种，美国正加紧研制并将其用于军事目的，利用无人机将“尘埃”布撒到未来的战场中，构成分布式战场传感器网。当坦克等军用车辆驶过这些“尘粒”时，它们就会启动火箭并附于车身，从而将其精确位置发送回往，使军方能随时把握敌情。它们还具有电子干扰能力，自主寻5找敌方电子指挥系统的关键部位实施破坏。上述“智能尘埃”配合“微型火箭”能悬浮于空气之中，所以还可用于丈量风速、气温，特别是灾难性天气的物理参数。图3是微型芯片火箭图，现已在6mm×4mm芯片上制造出15只火箭，并在10cm2的芯片上设计了1000万只火箭。图3微型芯片火箭3、微小型移动式机器人微小型移动式机器人主要用来从事侦察和作战的。例如，美国麻省理工学院研制的“阿蒂拉Ⅰ”型机器人（图4）重1.6kg，有32台电机，10个微处理器和150个传感器，并带有一台微型摄像机。6条腿都具有关节，运动自如，还能跨越障碍。图4“阿蒂拉Ⅰ”形机器人美国桑地亚国家实验室正在研制的是一种只有几毫米大的微型机器人，用来侦察生化武器。为了不引人留意，可以将其做成昆虫外形，也可以做的象垃圾一样。近期的研究目标是开发单芯片化学实验室，并将芯片嵌进微型机器人上。它可以由军方及情报部门使用，侦察核生化武器的试验及存储地。美国海军陆战队正预备研制一种比人手还小的地面军用机器人，用于城市环6境侦察作战。这种机器人可以步行而非轮式，它还有翅膀，可以跳跃或飞上楼梯，主要用作侦察。它可由无人机投到作战地区，一支远征部队可以装备40~50个。研制它的最大困难是动力问题，目前的电池技术在这么小的体积内无法提供足够的能量，所以研发者门正在考虑替代能源。4、微小型水下无人航行器技术微小型水下无人航行器通常是指长度在米级范围，重量在几十公斤以内的水下无人航行器（潜艇）。微小型水下无人航行器因其目标小、噪声低、易于接近目标而不易被敌方发现等特点，适于在近海、狭窄海域或浅水海区执行一些特种任务，如破坏敌人海上交通运输线、对敌岸基地或锚泊舰船、水雷进行侦察、袭击等。此外，它还具有造价低、便于大批量建造、运输方便等优点。微小型水下无人航行器可以选择由小型潜艇携带到战区释放，对海上活动目标实施战术侦察和忽然攻击，或者自主航行到预定海区执行指定任务。单纯用于隐蔽侦察时，必须能回收；如不能回收，则可以进行自杀性攻击，也能取得一定的作战效果。所以如能实现有人操纵小型潜艇和微小型水下无人航行器结合使用，无疑将大大进步作战效能。机器鱼的概念研究在国外已经开始，如图5所示。图5机器鱼与船舶的螺旋桨推进方式相比，仿鱼类游动的机器鱼有以下优点：(1)推进效率较高，利用流体能量后，效率可接近90%；(2)加速性好，可在瞬间达到巡航速度；7(3)机动性好，可在速度不减的情况下实现180°转弯，转弯半径小于体长；(4)噪音极小。由于以上原因，对鱼类的运动仿生研究在高效推进及军事应用领域有着深远意义。5、微小型卫星微小型卫星的概念是：100～500kg的卫星称为微小卫星（mini），10～100kg的卫星称为微型卫星（micro），10kg以下的卫星称为纳米卫星（nano）。微小型卫星自身通常无法独立完成空间任务，需要依靠分布式卫星网络才能实现其功能。美国军方目前正在资助一项导弹拦截系统计划—智能卵石计划，其目标是在2000年完成在轨部署800颗质量6kg的微小卫星作为拦截导弹的动能武器。海湾战争的爆发使美国的防务重点开始转移到发生在世界某一地区的局部军事行动。军方需要灵活迅速地发射和配置低轨道卫星，以执行区域性军事监测和包括士兵通讯在内的近距通讯任务。1990年5月美国发射了首颗重70kg的试验通讯卫星，在1991年海湾战争中发挥了重要作用。1991年7月又一次性发射7颗重23kg的微型通讯卫星，并成功组网，其主要载荷为2W功率的UHF转发器，用于士兵与作战总部的通讯联系。2002年2月，两颗绳系皮卫星对被从低地球轨道上的主星送进太空。这两颗皮卫星是世界上最早投进应用的、功能最全的超小型卫星，每颗星就象一副纸牌大小，重量不超过1.5kg。美军之所以挖空心思地研制皮卫星，主要是考虑其能更有效的防止敌国反卫星武器攻击。皮卫星可以与主卫星组成网络，相互协同运行，当敌方反卫星武器进行攻击时，皮卫星可以为主卫星发送信息，使主卫星及时采取措施，免遭攻击；皮卫星还可以诱惑、吸引敌方反卫星武器，保护主卫星；皮卫星也可用做反反卫星武器，对敌方反卫星武器进行拦截。三、微小型无人系统的战略地位及重要意义1、战略地位及需求信息化战争，是一种新的战争形态。它是以机械化战争的装备平台为载体，以大量使用信息化武器为支撑，以信息为主导，以能量为后盾，以网络为神经触角8的战争形态。信息化战争时代，信息、指挥、精确打击突变为战争的主要要素，那么，信息、指挥、精确打击同样成为描绘信息化战争形态的基本构件。战争形态不是战争要素的静态的简单组合，而是一个动态的纵横交织、五维一体、紧密衔接的复杂网络，把陆、海、空、天、电，以及国内外的各种作战气力、侦察气力、保障气力和各种战略资源紧密联系在一起，使指挥员、指挥机关与部队之间具备了“实时反馈、实时控制”及实时了解“敌在哪里，我在哪里、友邻在哪里”的能力。作战向信息收集、分类、处理、决策、打击一体化方向发展，发现即意味着摧毁。而微小型无人系统可以在信息化战争中大显神威。随着世界人口的城市化发展趋势，未来战场的主要形式将是城市作战，城市作战有利于发展中国家对抗发达国家的军事及技术上风。由于城市的地形特点，微小型无人系统例如微小型无人机、微小型地面军用机器人，将成为城市作战中的有力武器，它们将在侦察、扫雷、排爆等很多方面发挥重要的作用，而且还可避免职员的伤亡。以美国为例，在过往10年中，城市维和及城市作战已成为美军的家常便饭。美国海军陆战队在它以往的250次部署中，有237次都是在城市中作战的。看来21世纪城市作战将会成为未来战场的主要形式。能否有效地解决城市作战的题目，将决定能否在未来的战场中取得军事上的上风。过往几年，美国国防部一直力图进步部队城市作战的能力，1997年，国防部将科学家和有城市作战经验的士兵召集在一起，总结了格林纳达、巴拿马、索马里及海地作战中的经验教训，得出32条用户需求，制定了一个城市地区军事作战的先进概念技术演示计划（MOUTACTD），该计划成功地找到了一些发挥美军技术上风的途径，其中很重要的一点就是在未来的城市作战中，将广泛采用微小型地面机器人、微小型无人机及微小型传感器系统，以便士兵不论白天还是黑夜都能了解四周的楼房里及街道上的敌情。除侦察外，微小型机器人等微小型无人系统还可完成诸如扫雷、排除爆炸物、控制武器射击等各项任务，而且不会有职员伤亡，因而它们在今后的城市作战中，必然会成为一种有效的武器。由于微小型无人武器技术在进步信息作战、城市作战能力、改变未来战争模式等方面有重要应用，美国国防部2000年把微小型无人系统列在“军用关键技术”清单中。美国国防部在2002财年选择的15个先期概念技术演示项目（有应用远景的技术可转化为采办项目），其中与微小型无人作战武器有关的有四项：（1）用于城区作战的一次性使用的无人机,低本钱地秘密投送传感器并执行9监视任务，可支持城区作战；（2）“微型飞行器”，低成本的、士兵监控的、6～9英寸大小的飞行器，可以为地面作战单位提供敌方活动的环境感知能力；（3）“路径发现者”，由地面车辆、无人机和移动的智能传感器组成的网络，可以为指挥官提供环境感知能力、指挥、控制和通讯，并为城区作战的攻击部队提供监视能力；（4）装备有传感器和武器系统的无人水中航行器，可以作为进行非对称作战的气力倍增器。2、重大意义和军事效益二十一世纪的战场，战争的初期极可能是一场无人系统的较量。永不倦怠、无所畏惧的微小型无人系统是最理想的士兵。它们已在战争中显示出的作战本领，可以证实他们在未来战场上的重要地位。微小型无人系统由于体积小、隐蔽性好、快速反应、机动性好、生存能力强、成本低等特点，特别适用于城市和恶劣环境下（如核、生、化战场等）的局部战争和信息战争，具有重大意义和军事效益。（1）减少职员伤亡，补充、加强和支援职员作战。发展微小型无人智能武器系统的重要作用是保护士兵的生命。由于今天的士兵往往不仅是为保卫祖国而战，还包括执行国际维和任务，所以不管这些任务多么受人尊敬，人们对自己士兵的伤亡比以前更加难以接受。微小型无人智能武器系统则能代替人侦察、作战、摧毁目标，这样既可保持战斗力又可减少职员伤亡。（2）能完成士兵难以进行的作战任务。随着微型化技术的发展，科学家们预言，他们将会设计出肉眼看不到的象螨虫一样大小的微机器人，象昆虫一样大的微型飞行器，这样的微小型无人系