多旋翼無人機的發(fā)展及應用

田宇 鄒春海 周正偉 周曉東

在2010年之前，固定翼模型飛機和模型直升機是航拍和航模運動領域的主力軍。但在近幾年，因優(yōu)良的操控性能，多旋翼飛行器異軍突起，迅速成為航拍和航模運動領域的新星，并得到越來越多相關行業(yè)的關注。

當前，圍繞多旋翼飛行器相關創(chuàng)意、技術、產(chǎn)品、應用和投資的新聞層出不窮，而隨著產(chǎn)品的火爆，多旋翼技術的發(fā)展更是迅猛，已成為微小型無人機的主流。多旋翼為何在沉寂數(shù)十年之后迅速走紅，在未來又有哪些新的發(fā)展趨勢？本文將針對這些問題進行論述。

早期的多旋翼飛行器

人類總是在不斷探索中進步。18世紀后期蒙哥費爾熱氣球的成功升空，開創(chuàng)了人類飛行的新時代。1903年世界上第一架重于空氣、有動力、可控飛機的誕生，則拉開了人類近代航空發(fā)展史的序幕。1907年，法國Breguet兄弟制造了最早的四旋翼直升機，不過它只飛了幾英尺高，且飛行穩(wěn)定性很差、無法控制。1922年，美國人Dr.George de Bothezat試驗了名叫Flying Octopus的四旋翼飛行器，其最大飛行高度有5米，留空時間2分45秒。但是該飛行器的穩(wěn)定性依然不好，未能滿足美國軍方的要求。1956年，柯蒂斯-懷特公司為美國陸軍設計了VZ-7四旋翼飛行器，并交付給軍方兩架原型機。雖然這款飛機的飛行相對穩(wěn)定，卻依然沒有達到軍方對飛行高度和速度的要求，故該計劃沒有進一步推進。此后50年過去了，盡管通過世界各國科學家的不斷探索，四旋翼直升機在技術上有了一些進步，但還是不能滿足軍事方面的要求。

從20世紀初到20世紀中期，直升機的發(fā)展進入探索期，包括多旋翼在內(nèi)的各種試驗性機型相繼問世。最終，單旋翼帶尾槳式直升機成為至今最流行的形式。到20世紀后期，傳統(tǒng)構型的直升機技術問題基本解決，進入了航空實用期。其應用領域不斷擴展，數(shù)量迅速增加。而多旋翼構型則被慢慢冷落。

此后十幾年，有關多旋翼直升機的技術都沒有什么進展。究其原因，主要有3個問題：首先是系統(tǒng)本身不穩(wěn)定，導致飛行員的負擔太重；其次是發(fā)動機技術不能滿足要求，油門反應速度慢；第三是其運動主要依賴于螺旋槳速度的及時改變，而這種方式不宜推廣到大尺寸機型上。

多旋翼無人機的興起

20世紀90年代后期，電子科技迅速興起，其制造和加工精度也大幅提高，這使多旋翼飛行器的研發(fā)有了良好的技術保障。

多旋翼飛行器的快速發(fā)展首先歸功于自動控制理論、多旋翼動力學模型、非線性估計算法、非線性控制算法和MEMS微機電產(chǎn)品的發(fā)展，特別是20世紀90年代末重量只有幾克的MEMS器件被大規(guī)模生產(chǎn)。多旋翼系統(tǒng)所需要的陀螺、加速度計、壓力傳感器、GPS模塊等技術都進入了成熟期。其次是電池技術取得了較大突破。1991年索尼公司發(fā)布了首個商用鋰離子電池，使電池的儲能能力提升了兩三倍，為多旋翼飛行器的興起提供了動力支持。第三則得益于磁性材料、電子控制和生產(chǎn)工藝的進步，微電機產(chǎn)品向著大轉(zhuǎn)矩、小尺寸、高控制精度、低功耗、長壽命和低成本的趨勢轉(zhuǎn)型，微小型電機進入了發(fā)展快速期。

綜上所述，在20世紀90年代，小型多旋翼無人機所需要的技術均已走向成熟，這就是它在2000年后大熱的原因。2005年，越來越多的科研人員開始研究多旋翼飛行器，并嘗試搭建試驗平臺、研發(fā)和使用多旋翼無人機。2012年初，大疆創(chuàng)新科技公司推出了“小精靈”一體機。因其飛行控制簡單，初學者很快就能上手，而且價格也能被普通消費者接受，一時間搭載GoPro運動相機拍攝極限運動成為年輕人競相追逐的時尚潮流。至此，多旋翼飛行器在火爆的航模消費市場中完成了自己的逆襲。

多旋翼無人機

的主要特點

我們知道傳統(tǒng)直升機主旋翼的旋轉(zhuǎn)力矩會使機身扭轉(zhuǎn)。為了平衡這個力矩，直升機的尾部通常裝有一個與主旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反的尾槳。而多旋翼飛行器的螺旋槳均勻分布在機體的四周并處于同一高度平面，且螺旋槳的結構和半徑都相同。正是由于采用了這種對稱式結構設計，因此各個螺旋槳之間的扭力矩相互抵消，為簡化控制系統(tǒng)帶來了便利。

多旋翼無人機可以完成復雜的空中飛行任務并搭載多種設備。它通常包含飛控導航系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、飛行平臺、地面站、任務系統(tǒng)和鏈路系統(tǒng)6部分。常見的多旋翼布局有四旋翼、六旋翼、八旋翼，也有超過十旋翼的。一般來說，旋翼數(shù)越多，能提供的升力越大。而且，一旦某個旋翼發(fā)生故障，通過關閉對稱方向上的旋翼，多旋翼無人機還能穩(wěn)定飛行。然而旋翼數(shù)越多，飛行器上所需要的設備越多，結構越復雜，因此需要綜合考慮。

多旋翼無人機的動力源主要是鋰聚合物電池。相比燃油發(fā)動機驅(qū)動，電機的機械噪聲和震動小，但續(xù)航能力受到了一定的限制。此外，多旋翼機無人機還有以下幾個特點。

（1）可垂直起降、懸停、側(cè)飛、倒飛，飛行穩(wěn)定，易于編隊、協(xié)作完成任務；

（2）體積小、重量輕、噪聲小、隱蔽性好，適合多平臺、多空間使用；

（3）冗余度高、安全性好，旋翼數(shù)大于6的多旋翼飛行器自身有容錯功能，在旋翼單一或成對出現(xiàn)故障時仍能安全降落；

（4）槳葉多采用固定螺距，易于制造，飛行危險性??；

（5）整體結構簡單，相比傳統(tǒng)主流直升機更易于維護、經(jīng)濟性較高。

多旋翼無人機

的飛行原理

為了實現(xiàn)對多旋翼無人機的姿態(tài)控制，必須對各旋翼的推力進行控制。葉素理論（Blade Element Theory）提出了兩種可用的改變推力的方法：改變旋翼的傾角或轉(zhuǎn)速。其中改變旋翼傾角雖然能夠較快地得到響應，但使得飛行器的結構更加復雜；改變旋翼轉(zhuǎn)速的方法實現(xiàn)起來更加簡單，卻有時間上的滯后，原因是電機不能瞬時改變轉(zhuǎn)速。

本文介紹的是通過改變旋翼轉(zhuǎn)速控制多旋翼無人機的技術。下面以四旋翼為例，說明多旋翼無人機的飛行原理。如下圖所示，初始時水平方向的兩個旋翼逆時針旋轉(zhuǎn)，垂直方向的兩個旋翼順時針旋轉(zhuǎn)，該四旋翼飛行器可通過4個電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)實現(xiàn)升力變化，從而改變飛行姿態(tài)和位置。

當4個旋翼轉(zhuǎn)速相同，所提供的升力正好抵消重力，使四旋翼飛行器懸停在空中，處于平衡狀態(tài)。

當一對相同旋轉(zhuǎn)方向的旋翼增大轉(zhuǎn)速（升力），另一對減小轉(zhuǎn)速（升力），該四旋翼飛行能夠調(diào)整偏航。

當一對相同旋轉(zhuǎn)方向的旋翼不變，另一對中一個增大轉(zhuǎn)速（升力），一個減小轉(zhuǎn)速（升力），該四旋翼可進行滾轉(zhuǎn)或俯仰動作。（未完待續(xù)）

葉素理論

將旋翼葉片沿旋轉(zhuǎn)半徑剖開，形成的槳葉微段，可看成一小段有翼型的機翼，又稱為葉素。

葉素理論假設槳葉由連續(xù)布置的多個槳葉微段（即葉素）組成。葉素的升力系數(shù)、阻力系數(shù)，與其翼型有關。通過分析葉素的運動和受力情況，可得出其幾何特性與空氣動力學特性之間的聯(lián)系，從而計算出旋翼旋轉(zhuǎn)速度和傾角與槳葉受力的關系。