多旋翼無人機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用下

田宇 鄒春海 周正偉 周曉東

在2010年之前，固定翼模型飛機(jī)和模型直升機(jī)是航拍和航模運(yùn)動(dòng)領(lǐng)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(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的新星，并得到越來越多相關(guān)行業(yè)的關(guān)注。

無人機(jī)市場目前如火如荼，多旋翼飛行器正成為消費(fèi)級無人機(jī)的主流。本期結(jié)合它的主要特點(diǎn)和飛行原理，分析其應(yīng)用方向和未來發(fā)展趨勢。

當(dāng)前市場熱銷機(jī)型

市場是產(chǎn)品的試金石。經(jīng)過實(shí)地和網(wǎng)絡(luò)調(diào)查，筆者梳理了4款目前銷量排名靠前的消費(fèi)級無人機(jī)。

第一款是加拿大Draganfly公司的產(chǎn)品，即被《科技新時(shí)代》雜志評選為2008年航空航天類最佳成果的Draganflyer X6。它的機(jī)體上裝有16種傳感器，包括陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)、GPS 設(shè)備、氣壓傳感器等。此外，該平臺還能攜帶高分辨率的無線攝像機(jī)等設(shè)備，用于執(zhí)行工業(yè)檢測、軍事偵察、空中拍攝等任務(wù)。Draganflyer X6的續(xù)航時(shí)間在25分鐘以上，操作者可通過地面操縱臺控制，并利用配套的視頻眼鏡即時(shí)觀看機(jī)載攝像機(jī)拍攝的影像。

第二款是法國Parrot公司的產(chǎn)品AR.Drone——“最酷玩具”。AR.Drone主要具備4個(gè)功能：可用iPad、iPod或iPhone控制；通過Wi-Fi進(jìn)行兩機(jī)對戰(zhàn)或多機(jī)空戰(zhàn)游戲；通過屏幕觀看實(shí)時(shí)影像；在室內(nèi)或室外均可遙控飛行。因?yàn)樵擄w行器可由iPhone系列產(chǎn)品操縱，所以被譽(yù)為高科技和時(shí)尚的完美結(jié)合。

第三款是中國深圳大疆創(chuàng)新科技公司的Phantom系列產(chǎn)品，國內(nèi)稱為“小精靈”。作為航拍神器，“小精靈”系列產(chǎn)品行銷全球，占據(jù)了國際市場的半壁江山。

第四款是德國MicroDrones公司的產(chǎn)品MD4-1000。作為可搭載各類設(shè)備的飛行平臺，MD4-1000以其長達(dá)88分鐘的續(xù)航時(shí)間一枝獨(dú)秀，占據(jù)了較大的市場份額。

現(xiàn)有應(yīng)用方向

通過搭載不同的設(shè)備，多旋翼飛行器可實(shí)現(xiàn)在各行業(yè)中的多種應(yīng)用：搭載照相機(jī)或攝像機(jī)，可用于高空監(jiān)控、反恐處突、災(zāi)害監(jiān)測評估、輸電線路巡檢、電視節(jié)目錄制等；搭載農(nóng)藥等農(nóng)用設(shè)備，可用于農(nóng)林植保；搭載貨物，可用于派送快件；搭載測繪儀器，可用于航空探礦、地質(zhì)勘測、區(qū)域地圖繪制等；搭載通信平臺，可用于應(yīng)急通信、通信中繼；搭載光源，可用于舞臺劇照明；搭載讀卡器，可結(jié)合RFID技術(shù)用于倉庫盤點(diǎn)存貨；搭載應(yīng)急救援設(shè)備，特別適用于在人力不可及的地區(qū)傳遞物品和信息。美國一家公司研發(fā)的“黑騎士”變形金剛垂直起降飛行車，就是多旋翼飛行器的一次出色應(yīng)用。

事實(shí)上，多旋翼飛行器可能的應(yīng)用領(lǐng)域還遠(yuǎn)不止這些。從技術(shù)層面上看，要完全滿足軍用市場和民用市場的需求，多旋翼無人機(jī)或許需要一二十年的發(fā)展時(shí)間。

未來發(fā)展趨勢

多旋翼無人機(jī)目前還處于技術(shù)發(fā)展期，其現(xiàn)狀與現(xiàn)實(shí)需求有一定的矛盾。關(guān)于未來多旋翼飛行器技術(shù)會朝哪些方向發(fā)展，筆者總結(jié)了以下幾點(diǎn)。

續(xù)航時(shí)間太短是現(xiàn)階段多旋翼產(chǎn)品與需求的一個(gè)矛盾。大部分多旋翼飛行器的續(xù)航時(shí)間為10-25分鐘，國際頂級產(chǎn)品也只能達(dá)到88分鐘。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，如果續(xù)航時(shí)間超過兩小時(shí)，那么多旋翼飛行器就能夠滿足90%以上的作業(yè)要求。而動(dòng)力技術(shù)的進(jìn)步可以大幅提高其續(xù)航時(shí)間。

（1）新型電池：燃料電池、石墨烯、鋁空氣、納米點(diǎn)等都是當(dāng)前新型電池技術(shù)的研究熱點(diǎn)。加拿大蒙特利爾省的EnergyOr公司采用燃料電池的四旋翼，曾完成了長達(dá)兩小時(shí)12分鐘的連續(xù)飛行。隨著各國大力推進(jìn)新能源汽車，新型電池技術(shù)必然會有長足的發(fā)展，多旋翼無人機(jī)正好可以利用這些成果。

（2）混合動(dòng)力：通常由蓄電池、太陽能光伏薄膜、汽油發(fā)電機(jī)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中的兩種或多種動(dòng)力組成。由Draper實(shí)驗(yàn)室和MIT科研人員聯(lián)合成立的Top Flight公司研制出一款混合動(dòng)力的六旋翼無人機(jī)，只需1加侖汽油（約3.78升），便可飛行兩個(gè)半小時(shí)、約160千米的距離，其最大載荷為20磅（約9千克）。美國Bye航宇公司正致力于推出一款名為“沉默監(jiān)護(hù)者（Silent Guardian）”的混合動(dòng)力無人機(jī)，其動(dòng)力由太陽能光伏薄膜和蓄電池組成。

（3）地面供電：采用地面供電的多旋翼無人機(jī)，系統(tǒng)會搭載專用的系留電源模組，通過電纜將電源輸送給飛行平臺。這樣一來，無人機(jī)平臺便可擺脫電池容量對續(xù)航時(shí)間的限制，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷懸停，用于長時(shí)間持續(xù)空中監(jiān)控和應(yīng)急通信。國內(nèi)的佛山安爾康姆、北京天恒昕業(yè)等多家公司都推出了系留型多旋翼無人機(jī)。

（4）無線充電：在消費(fèi)電子領(lǐng)域和汽車產(chǎn)業(yè)，這項(xiàng)新技術(shù)的關(guān)注度正逐步提高，且各行業(yè)都推出了各自的標(biāo)準(zhǔn)。無線充電主要分為電磁感應(yīng)和激光充電兩大類。其中電磁感應(yīng)因傳輸效率問題，主要用于近距離無線充電；而激光則可用于在視距范圍內(nèi)遠(yuǎn)距離充電。由美國激光動(dòng)力技術(shù)公司研發(fā)的具有跟蹤功能的激光充電技術(shù)，已實(shí)現(xiàn)通過激光遠(yuǎn)距離傳輸能量、為飛行中的無人機(jī)提供持續(xù)動(dòng)力的功能。

關(guān)鍵部件失效是無人機(jī)墜毀的主要原因，由此帶來的飛行安全問題，必然會限制無人機(jī)的推廣。要有效提高多旋翼無人機(jī)的可靠性和安全性，可從以下幾方面考慮。

（1）法規(guī)制訂者：飛行器的可靠性及其飛行安全性問題，是航空法規(guī)制訂者主要考慮的問題。2009年前，國內(nèi)無人機(jī)處于無監(jiān)管的狀態(tài)。2009年至今，相關(guān)部門陸續(xù)推出了《關(guān)于民用無人機(jī)管理規(guī)定有關(guān)問題的暫行規(guī)定》、《民用無人機(jī)空中交通管理辦法》、《民用無人機(jī)駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》等法規(guī)，并開始推廣持證飛行。但因監(jiān)管尚未完善和正規(guī)化，實(shí)際執(zhí)行界限模糊不清，導(dǎo)致規(guī)范飛行難以實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，有世界無人機(jī)法規(guī)領(lǐng)航者之稱的英國和有商用無人機(jī)領(lǐng)頭羊之稱的美國，都已根據(jù)無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及時(shí)推出了新法案。

（2）管理部門：可設(shè)立無人機(jī)行業(yè)準(zhǔn)入機(jī)制和產(chǎn)品資質(zhì)認(rèn)證，對生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品進(jìn)行監(jiān)管。例如要求無人機(jī)有唯一產(chǎn)品編號，即能有效減少不法分子對多旋翼飛行器的濫用。針對不同類型的小型無人機(jī)（多旋翼、直升機(jī)、固定翼），美國NASA、Airware等公司已展開一系列的飛行測試，并研發(fā)與之配套的無人機(jī)空中交通管制系統(tǒng)。

（3）研制和生產(chǎn)廠商：在設(shè)計(jì)和制造階段，應(yīng)著力提高飛行器的可靠性。在硬件方面，可購買質(zhì)量有保證的元器件；在軟件方面，則需要進(jìn)行大量的地面和空中測試并為飛行器增加保護(hù)措施。此外，多旋翼在飛行過程中可能被盜或發(fā)生數(shù)據(jù)泄露，進(jìn)而引發(fā)安全事故。為防止類似情況發(fā)生，可采用通信鏈路加密、防病毒設(shè)計(jì)等措施。最后，可考慮為飛行器加裝降落傘等附件，以便在其失控時(shí)迫降，有效保護(hù)地面人員和設(shè)備的安全。

（4）運(yùn)營廠商：培養(yǎng)合格的多旋翼飛控手，加強(qiáng)業(yè)務(wù)培訓(xùn)，規(guī)范持證上崗制度。為避免在人口密集區(qū)飛行，可要求飛手在人口密集區(qū)和關(guān)鍵區(qū)域禁飛，防止出現(xiàn)意外情況。

多旋翼無人機(jī)到底能做什么，是客戶最關(guān)心的問題，而這有賴于飛行器自主控制能力的提高。微型化的機(jī)器視覺系統(tǒng)和高精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)，是提升其自控等級的關(guān)鍵點(diǎn)。隨著導(dǎo)航技術(shù)、交互技術(shù)、通信技術(shù)和芯片技術(shù)的發(fā)展，這些關(guān)鍵點(diǎn)都得到了有效解決。

在2012年TED演講大會上，賓夕法尼亞大學(xué)的Vijay Kumar教授展示了GRASP實(shí)驗(yàn)室的多項(xiàng)最新研究成果。其研制的四旋翼只有手掌大小，卻能在室內(nèi)使用激光導(dǎo)航飛行，高精度的定位和超強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力令人咋舌：兩架四旋翼能夠協(xié)同抓取重物往返，完成運(yùn)輸任務(wù)；多架四旋翼則可編隊(duì)飛行，并在障礙處自動(dòng)做隊(duì)形變換。演講最終以多架四旋翼飛行器擊打多種樂器，協(xié)奏一首世界名曲結(jié)束。多架飛行器自主飛行并協(xié)同工作，是現(xiàn)今世界無人機(jī)領(lǐng)域的頂尖技術(shù)。

目前國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和國防科技大學(xué)對自主飛行均做了一些研究，但大多數(shù)還處于理論算法和仿真試驗(yàn)階段。在自主控制飛行方面，國內(nèi)總體研究和應(yīng)用水平與國外先進(jìn)水平之間差距較大。

要想大規(guī)模推廣應(yīng)用，多旋翼無人機(jī)不僅要好用，還要能用得起。多旋翼飛行器的成本不僅包括制造費(fèi)用，還包括以上幾個(gè)問題的研發(fā)經(jīng)費(fèi)。電池現(xiàn)在是整套系統(tǒng)中使用壽命最短的設(shè)備，提升其壽命可在一定程度上降低使用成本。而飛行器可靠性的提高，也能進(jìn)一步降低系統(tǒng)全壽命周期成本。

近年來，全世界很多企業(yè)和發(fā)燒友都加入了研制和生產(chǎn)無人機(jī)的大潮中。飛控等平臺逐漸呈現(xiàn)開源化的趨勢，大大降低了多旋翼無人機(jī)的硬件和軟件成本。目前，國際無人機(jī)行業(yè)多使用APM（用戶最多）、德國MK（最早的開源系統(tǒng)）、Paparazzi（穩(wěn)定性高、擴(kuò)展性強(qiáng)）、PX4和MWC（兼容性強(qiáng)）5個(gè)開源平臺。計(jì)算機(jī)開源系統(tǒng)公司Linux也適時(shí)推出了“Dronecode”無人機(jī)開源系統(tǒng)，旨在為開發(fā)者提供所需要的資源、工具和技術(shù)支持，加快無人機(jī)和機(jī)器人的發(fā)展。一家名為Percepto的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)則發(fā)起了計(jì)算機(jī)視覺組件開源項(xiàng)目，目標(biāo)是搭建一個(gè)集硬件、驅(qū)動(dòng)、算法、安全、機(jī)身控制于一體的平臺，讓更多人在此平臺上開發(fā)無人機(jī)相關(guān)應(yīng)用。