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自主小型无人机的科学，技术和未来
我们正在目睹一个机器人新时代的来临 - 无人机- 它可以在自然和人为的环境中自主飞行。这些机器人，经常与国防应用相关，可能对平民的任务，包括交通，通讯，农业，减灾和保护环境产生重大影响。由于需要在空气中充满活力的成本和与复杂环境谈判的感性智能，在密闭空间中自主飞行提出了巨大的科学和技术的挑战。在适当的监管框架下， 我们确定科学技术预计将转化为普遍使用的自主民用应用无人机。
无人驾驶飞机，一个无人机和微型飞行器流行的昵称，往往让人联想到飞行数千英里的无人间谍飞机的图像和部署武器。然而，在过去的几年中，越来越多的公共和私人研究实验室一直在做微型的人性化的无人机以致有一天可以自主地在狭窄的空间甚至接近人飞。这些小型无人机的发展，是本次审查的主要焦点，得到了小型化和成本降低的电子元器件（微型处理器，传感器，电池和无线通信设备）的支持，主要由便携式电子设备产业带动。这些改进已经使小型（典型不足1公斤）商业化无人机的价格接近智能手机。
小型无人机将具有重要的社会经济影响。来自从能够飞行地面以上几米的无人机的图像将会弥补人类视角的空白，也能填补访问道路的可用性卫星和汽车为主只能提供昂贵的，依赖天气的和低分辨率图像的空白。飞行专业相机和基于云的数据分析将允许农民持续监控农作物生长的质量。这样的平台将帮助建筑公司实时测量工作的进展情况。
无人机将让矿业公司获得发掘精确容积数据。能源和基础设施公司将能够详尽地调查管道，公路和电缆。人道主义组织可以立即评估和调整难民营的不断变化的援助力度。那些能够安全起降建筑和接近人类的运输无人机将给没有合适的路网的发展中国家迅速提供产品并且最终释放他们的电子商务和电信基础设施的全部潜力。运输无人机也将有助于发达国家改善在拥挤或偏远地区的服务质量，并将使救援组织在现场和按需快速提供医疗用品。检查无人机是能够在狭小空间飞行来帮助灭火和应急单位，以更快，更安全地评估危险，物流公司检测船舶的内壳和外壳的裂缝，公路养护公司来衡量磨损的迹象和撕裂的桥梁和隧道，安全公司监测监控摄像机，减灾机构范围以外的地区进行考察部分倒塌的建筑物，其中地面杂波是地面机器人改善楼宇安全的障碍。
自主无人机团队将允许持续飞行时间长的无人驾驶飞机暂时离开队伍更换电池。无人机团队将允许资源线索组织能够快速部署地面运营商的专用通信网络。电信企业也可以利用无人机网络暂时补充或更换服务点。
在密闭空间及附近的地面，那里无法得到绝对定位信号和远程控制或不能够精确安全地完成任务，实现这一目标需要新的机电解决方案和高水平自主。今天的商业无人机没有足够的控制自主完成任何没有技能的人力监管，这使得这些行动缓慢，危险。我们确定最有前途的科学技术的进步可能产生新一代的小型自主无人机，并有能力部署监管框架内的一个合适的试探性的路线图。
设计和制造的挑战
特别是当装置的尺寸减小时飞行器特别昂贵。这往往是由于缩放的车辆下来时，如电磁马达的功率密度降低导致出现的降低显性传输效率，由于增加了齿轮和轴承摩擦，减少了雷诺数增大了粘滞损失。某些飞行模式也极具挑战性 - 例如，盘旋 - 无论是从能量学还是控制;的角度看，因为尺寸减小这些也变得越来越困难。缩放问题在自主性最基本的层面产生问题：它们通过限制简单地飞行获得充足的时间来执行更高级别的任务。为了克服这些挑战，无人机的开发人员必须考虑系统级设计的选择，在选择构成组件时，会出现平衡取舍提供动力的电机。对于飞行机器人最常见的形态包括比较常规固定翼和旋转翼飞机设计，以及来自拍打着翅膀的生物设计灵感。每个高原形式的类型都有优点和缺点。例如，固定翼飞机能够快速，高效的飞行，但通常不能盘旋。旋翼机可以悬停并且是高度机动的，但一般都在向前飞行比固定翼车辆效率较低。既不固定翼筏也不旋翼缩小以及无论是在支配飞行空气动力学方面和在所必需的产生推进组件的性能。仿生扑翼飞行提供了一种替代模式，它的尺寸可以缩小，但带来了流体机械的建模和控制方面的挑战。
推进和可操作性的考虑
小型飞行器主要有固定翼螺旋桨飞机或旋翼机。后者又可进一步细分为传统的主旋翼和尾部旋翼机，共轴式双旋翼机或最近已成为流行设计的四旋翼飞行器。对于更大尺度的螺旋桨驱动的飞机的每一个配置，在过去的几十年中一直只有微小的改进螺旋桨设计，按照国家航空咨询委员会制定的标准设计机翼形状。为了提高旋翼飞机的推进效率，减小了车辆的尺寸；这是在小规模飞行的挑战的一个指标。较小的尺寸通常意味着较低的雷诺兹数，这反过来又增加了粘性力，导致降低了阻力系数和升力系数的比值。这意味着一个固定翼飞机的比例将受到较低的升力阻力比的限制，从而需要更大的相对向前速度保持飞行，因为相关阻力和功率损失，降低整体的能量效率。尺度的挑战的影响使较小的无人机有更少的耐力，从数十秒到数十分钟整体的飞行时间范围不能和汽车相比较。
然而，有迹象表明，降低整车尺寸出现了可操作性的好处。例如，转动惯量是该车辆的特征尺寸 一个临界长度的强函数，如螺旋桨的翼或弦长的长度以类似的方式在雷诺数缩放时使用。根据用于由四轴产生的转矩比例定律，这导致可以通过L-1和L-2扩展，这表明这两种情况下，该四轴将更加具有机动性角加速度。这导致在房间外部电脑，包括在高速行驶时透过窗户飞行，在飞行中操作对象配备了实时跟踪和控制的特技飞行动作的显着示范。这种灵活性的增强，往往以开环的稳定性为代价的，需要更加强调控制-----一个挑战，也是由这些小型车辆的尺寸，重量和功耗约束加剧。实施自主无人机这些行为（与主板上的传感和计算）是一个显著的挑战，而且是一个开始有了可喜的成果 - 即使是激进的飞行演习的挑战进一步缩小这些，传感和控制系统在本次讨论的最终部分。
驱动，电源和制造
超出飞行机器人的自主性和尺寸的范围也产生了与制动和制造相关的挑战。对于驱动，旋翼和螺旋桨固定翼无人机一般采用电磁马达。一些扑翼飞机还使用电磁马达，但需要一个连杆机构向马达的旋转运动转换为翼的扑运动。然而，随着规模的降低，常规的电机成为低效的，需要大量的传动装置来达到所需的机翼或螺旋桨的速度，并且制造极其困难。因此，对于下面几克的车辆，需要替代的制动方法。同样，“宏观尺寸”飞行器（几十到几百克，以及较大的）可以用常规方法，例如加分和扣分加工和螺母和螺栓装配构造。然而，对于“微尺寸”飞行器（小于几克），需要重新思考和应用制造的新方法。从驱动挑战的角度来看，我们需要考虑比例的物理特性是如何影响电磁发动机的性能的。从宏观上看，在电动车中使用的电机可以达到每公斤几千瓦的功率密度接近90％的效率，而从微观上看，现有马达以低于50％的效率每个电源产生几十千瓦功率。在微观角度上减少飞行性能损耗的两个重要因素就是电源和配电。对车辆来说，主推进系统也负责产生控制转矩，这不适用（例如，四轴飞行器）。然而，对于固定翼飞机和一些扑翼车辆，至关重要的是，大部分功率预算必须分配给同为启动控制表面的比例较小在高处停留时消耗。例如，近90％的RoboBee的功率预算是专用于主电源驱动器产生的升力在空中停留。如已经讨论的，对于电力的制动器，典型的选择就是电磁马达。有包括电活性材料，如压电致动器或超声波马达在内的替代品，然而，这些是最适合的微型的。控制致动器最多包括音圈更多的选择，如形状记忆合金和电活性聚合物。鉴于小规模推进的挑战，一个迫使生产不稳定的原因可能是小型电动机的可行选择。与固定翼飞机和旋翼产生升力和推力在一个准稳态的方式（直接在旋翼机的情况下，或间接的固定翼无人机的机翼运动），扑翼的空气动力学无人驾驶飞机是复杂的并涉及在空气中旋涡结构的产生和操纵。正如自然界中显而易见的，扑翼推进器是运动的一种有效形式。但转化为功能设计，这并不是像昆虫，蝙蝠和鸟类等具备翅膀的形态多样性。尽管如此，无人机研究人员有效地再现许多不同的方式自然飞行状态。实例包括机器人昆虫如RoboBee和四翼飞行器DelFly，和同鸟一般大小的无人驾驶飞机如纳米蜂鸟。因为尺寸减小，除了造成对制动器的选择和制造的挑战，也存在如何制造整个车辆的考虑。在衡量哪些电磁致动和轴承基于旋转接头是可行的，采用更传统的制造方法，如相减加工，添加剂印刷和成型的复合材料。在小规模 - 例如，和昆虫和小型鸟类同等规模的飞机 - 其中的一些技术故障，通常是由于有限的分辨率。替代甲基-ODS已经得到发展;例如，基于折叠（固有可缩放技术）的那些已被用来创建昆虫大小的机器人，避免面对固有的宏观尺度螺母和螺栓的方法的挑战。
多式联运无人机
在许多情况下，如搜救，在密闭空间内进行环境监测和包裹递送，它可能是将有利的空中和地面的环境相结合。栖息机制可以让无人机在墙壁和电源线的制高点利用高新技术来监控环境，也同时节约了能源。雅居乐无人机可以通过使用腿连同伸缩或拍打着翅膀在地面上移动。在努力减少运输的总成本条件下，这将增加额外的运动模式，这些未来的无人机可受益于使用相同的致动系统用于飞行控制和地面运动。这两种运动模式的不同的速度和扭矩的要求可以通过调整机翼的具体形态来实现，和吸血蝙蝠（Desmodus香附）调和飞行或行走时使用其强大的前肢相类似。另一方面，多式联运可以通过在盘旋无人机的两侧增加大车轮，通过滚动笼嵌入推进系统，或由一个万向接头系统的装置从内转子的球形笼获得完全解耦 ;后者设计允许无人机往任何方向运动，但是，由于转子是由笼保护，也可以安全地与障碍物或人没有姿态扰动的碰撞。相反，翅膀可以添加到地面机器人在崎岖的路面上行驶的本领，以延长其跳跃的距离，稳定着陆阶段，并减少与地面的冲击。在这种情况下，传输的总成本也可能通过共享跳跃和翼部署机制之间的相同致动系统降低。或者，可以使用旋转翼，大大降低起飞负重，从提高弹道导弹跳跃过渡到滑翔，并且使滑翔比达到最大。在将来，我们也可以通过使用由水生鸟类，如折叠翼的暴跌潜水或干飞行疏水表面灵感的设计原则，或鱿鱼，它采用喷水推进器的起飞部署半水生环境无人机起飞。
传感与控制
悬挂在高海拔地区的传统无人驾驶飞机调节自己的角度（滚动，俯仰和偏航）和它们的位置（x，y和z）由惯性测量单元（IMU），其中包含连续监测和合并数据三轴加速度计和陀螺仪，以及从全球定位系统（GPS）完成。这项技术，对于运动的自主是必要的，目前已将小型无人机用于娱乐或专业用途。然而，飞行地面几米时，GPS高度调节信息不是足够精确，而且在狭窄的区域，如城市，森林和建筑，不是总是可提供和可靠的。即使可靠的GPS信息可用，那就需要与无人驾驶飞机的周围的精确地图相结合，以确定无障碍轨迹。但是，数字地图，如那些在汽车导航系统中使用的，被限制在不包括三维信息（自然结构，建筑物和桥梁的高度，和电缆，电线杆的存在，等等）穿越道路，并没有刷新足够频繁捕捉到景观改造。因此，小的自主无人驾驶飞机的低空飞行需要更复杂水平的自主控制和额外的传感器来检测周围环境的距离，并执行安全和稳定的轨迹。视野传感器对于小型无人驾驶飞机来说是一种很有前途的传感器，因为与其他距离传感器相比，例如在陆地车辆上使用的声纳，红外线和激光测距仪，它不需要消耗能量就可以探测环境，并且它可以收集更丰富的信息和在跨度上相比视野更广阔的领域。
反应自主性
小型无人机的自主大部分努力都集中于通过花费几十年在研究基于视觉的昆虫飞行的神经行为学来制成简单的控制算法和轻便的传感器，有许多还作为生物模型验证实现自主反应。昆虫视觉依赖于复眼，它是指向不同的方向和大视场方面的密集阵列。复眼比人的眼睛具有更固定的焦点，更低的分辨率和更小的双眼重叠部分，因此对很短的距离估计不需要使用立体视觉。为了在杂乱的环境中安全飞行，昆虫，不是依赖于图像或说光流运动，而是通过自身相对于环绕英格斯产生其位移。实验已经表明，他们的神经系统反应，光流模式产生了大量的各种飞行能力，如避障，维修速度，里程估计，墙下面的走廊定心，高度调节，定向控制和着陆。只在平移运动时光流强度与距离物体距离成正比，但在旋转运动时，它正比于目标的旋转速度。此外，光流的强度还取决于速度和距离的比率，这引出了昆虫如何可以在同一时间从障碍物估计地面速度和距离的问题。
许多基于视觉的昆虫能力已经被复制为小型无人机。例如，已经表明，小型固定翼无人驾驶飞机和直升机能调节使用腹侧光流而一个GPS被用来保持恒定的速度和一个IMU被用来调节滚动角地面的距离。固定翼无人机也用加横向光学流量传感器探测近地面障碍物。光流也被用于实现没有GPS的固定翼无人驾驶飞机在室内室外的无碰撞导航和高度控制。这些无人机，所述侧倾角是由光流在水平方向上调节，俯仰角是由在垂直方向光流调节，同时测定保持对地速度和风速传感器。在这种情况下，由生物模型的启示，旋转光流是沿直线由短匝中断或具有板上陀螺仪估计和从总光流中减去实现飞行最小化。其他作者甚至建议不要求用仿生控制的绝对速度测量的传感器，从而消除错误的潜在来源。这些方法包括连续地调整飞行速度和高度，以保持恒定光流信号，该信号也由生物模型得到启示。例如，高度控制和着陆通过添加腹侧光流，既可以调节俯仰角控制面也通过负反馈来实现调节推力。后一种方法也被证明室内飞行过程中当横向光流和侧向推力一起使用时，对于高度控制和到达移动平台是有效的，这也是复制蜜蜂的飞行轨迹。然而，迄今为止该方法已仅被留在雄蜂身上验证。纠错方法也被证明配备全方位视觉的四轴飞行器可在走廊飞，旨在减少在所需的高度测量光流和光流飞行预期之间的姿态，速度，航向和距墙壁的距离的偏差。四轴飞行器和扑翼无人机本质上是不稳定的，必须由陀螺仪和加速度信号中的噪声产生的地方盘旋，保持姿势位置漂移得到补偿。它已经显示，光学流的方向可以被用来降低在惯性传感器的信号不确定性。从昆虫的简单眼睛受到启发研制出宽视场的光学传感器，称为单眼，已用于保持扑翼雄蜂和四轴飞行器的姿态稳定。
小包装检测高时间频率在宽视场光流的需求也推动了昆虫的启发视觉传感器比单镜头传统相机更小，更轻，更快的发展。例如，一些作家求助于使用电脑光学鼠标中发现的多个光纤流量传感器。而其他已经开发神经形态的芯片，不仅提取光流，而且适应大量的各种可在有限的空间内飞行时经历的光强度。同样地，专门微光学流量传
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