淺談四旋翼飛行器的技術(shù)發(fā)展方向

摘 要：四旋翼飛行器是多旋翼飛行器中結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)最為簡單、應(yīng)用最廣的一種飛行器。其穩(wěn)定性好、靈活性好，具有多種飛行姿態(tài)。通過闡述四旋翼飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀，組織結(jié)構(gòu)、用途、技術(shù)特點等內(nèi)容，對四旋翼飛行器作以介紹，同時對其未來的用途和技術(shù)發(fā)展方向做出說明。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；結(jié)構(gòu)組成；用途；發(fā)展方向

引言

四旋翼飛行器，是一種具有四個螺旋槳的飛行器并且四個螺旋槳呈十字形交叉結(jié)構(gòu)，相對的螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相同，兩組螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向不同。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直起降機，因此非常適合靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下飛行。四旋翼飛行器隸屬于多旋翼飛行器。相對于直升機，其穩(wěn)定性好、靈活性好，但控制系統(tǒng)復(fù)雜。相對于固定翼飛行器其具有適應(yīng)環(huán)境能力強，可以多種姿態(tài)飛行，如懸停、前飛、側(cè)飛和倒飛等。雖然國際上對四旋翼無人機的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，并已將研究重點轉(zhuǎn)入智能飛行，并投入商業(yè)應(yīng)用。但是目前國內(nèi)的研究較少，起步也比較晚。國內(nèi)部分高校對四旋翼飛行器現(xiàn)在都開展了深入研究，利用現(xiàn)代控制技術(shù)和科學(xué)技術(shù)，實現(xiàn)了定位導(dǎo)航、懸停等功能。

1 四旋翼飛行器發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，隨著傳感器、驅(qū)動器、處理器以及能源供給等在技術(shù)方面有了突破性的發(fā)展，四旋翼飛行器的開發(fā)和研制也掀起熱潮。在短時間內(nèi)就吸引了許多研究者的注意，并很快成為當(dāng)今國際上一個新的研究熱點之一。

2 四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)組成

四旋翼飛行器由四組電機和螺旋槳作為飛行的直接動力源，對稱分布在機架懸臂的末端，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，相對電機為一組，螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相同；兩組螺旋槳旋轉(zhuǎn)相反。支架中間安放飛行控制板、電池、電調(diào)和功能模塊。

3 用途

四旋翼飛行器因其垂直起降、空中懸停、大容量數(shù)據(jù)傳輸能力、使用維護簡便、使用維護成本低、無需起飛場地等特點，其用途廣泛，涉及領(lǐng)域多，通過調(diào)研目前的四旋翼飛行器市場，總結(jié)幾類用途如下：

軍隊?wèi)?yīng)用：叢林的監(jiān)視和偵察、戰(zhàn)術(shù)偵察和瞄準(zhǔn)、排爆、反海盜、邊防監(jiān)測、空中偵察、巡邏攻擊機等。

警察應(yīng)用：人質(zhì)解救和人員搜救、嫌犯和失蹤人口查找、交通和人群控制、情報和證據(jù)收集、處理突發(fā)事件等。

政府應(yīng)用：森林防火、國土監(jiān)管、氣象災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害、城市規(guī)劃、測繪、國土資源勘探、反恐、病蟲害防治、防汛抗旱、海事監(jiān)測等。

工業(yè)應(yīng)用：電力巡線、電力架線、礦產(chǎn)勘探、氣體泄漏檢測、建筑工地的計劃和監(jiān)視、場地和基礎(chǔ)設(shè)施安全等。

商業(yè)應(yīng)用：物流、餐飲服務(wù)、旅游、保險行業(yè)、新聞和廣告、攝影、攝像、三維測繪等。

四旋翼飛行器未來的研發(fā)方向包括：農(nóng)用多旋翼無人機；多旋翼無人偵察機；多旋翼巡邏攻擊機；艦載多旋翼偵察機等。

4 技術(shù)分析

四旋翼飛行器的技術(shù)難點主要集中在控制技術(shù)上，其主要體現(xiàn)在三個方面：

第一，四旋翼無人飛行器是個欠驅(qū)動系統(tǒng)，其控制設(shè)計比一般全驅(qū)動系統(tǒng)要難的多。此外，它還具有多變量、非線性、強耦合等特性，這使得飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計變得非常困難。比如飛行器在轉(zhuǎn)彎或橫向運動時，飛行器傾斜。此時升力在水平方向產(chǎn)生分力，垂直方向上的分力減小，如何控制保持飛行器在垂直方向上高度不變。

第二，四旋翼飛行器的自穩(wěn)控制。飛行器在飛行過程中同時受到多種物理效應(yīng)的作用，比如受到氣流等外部環(huán)境的干擾。操縱者很難及時進行調(diào)整，這需要飛行控制系統(tǒng)自動進行相應(yīng)的調(diào)整。另外，當(dāng)四旋翼飛行器的負載改變時，其質(zhì)量也會發(fā)生變化。例如噴灑農(nóng)藥的農(nóng)用四旋翼無人飛行器，它在實施作業(yè)的飛行過程中由于農(nóng)藥不斷的消耗，飛行器的重量是在不斷變化的。如何保持飛行器在高度方向上不發(fā)生改變。這些不確定性將大大增加了控制系統(tǒng)設(shè)計的難度。

第三，由于四旋翼飛行器有效載荷較小，難以搭載較多的傳感器，對四旋翼無人飛行器進行狀態(tài)測量是比較困難的，精度也不好；這對系統(tǒng)的控制穩(wěn)定有很大的影響，大大限制了四旋翼飛行器的發(fā)展。

5 技術(shù)發(fā)展方向

5.1 智能傳感器技術(shù)

智能傳感器帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結(jié)合的產(chǎn)物。與一般傳感器相比，智能傳感器具有以下特點：通過軟件技術(shù)可實現(xiàn)高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的編程自動化能力；功能多樣化；高可靠性和高穩(wěn)定性。飛行器戰(zhàn)場上實際應(yīng)用，需要攜帶電視攝像機、紅外、微光等各種超輕重量的傳感器，其感知系統(tǒng)由多個傳感器集合而成，采集的信息需要計算機進行處理，使用智能傳感器就可以將信息分散處理，從而降低成本。采用智能傳感器可進一步提升飛行器的性能，提高飛行器的智能水平。因而傳感器智能化是傳感器技術(shù)發(fā)展的重要方向。

5.2 自主控制技術(shù)

條件不確定的前提下，將最優(yōu)化求解問題近實時或者實時的予以解決，是自主控制目前面臨的最大挑戰(zhàn)。而高智能化以及高自主控制是未來四旋翼飛行器的發(fā)展方向。但是就目前四旋翼飛行器的技術(shù)水平而言，智能化以及自主控制化技術(shù)都還處于發(fā)展階段，仍舊不成熟。而想要在各類環(huán)境中充分發(fā)揮微小型無人機的優(yōu)勢作用，自主飛行功能的實現(xiàn)是必須的。未來的發(fā)展要求中，四旋翼飛行器必須能夠依照設(shè)定的航路自主完成任務(wù)，并能夠依照形勢，自主的控制決策，以原有任務(wù)、計劃為基礎(chǔ)，完成既有使命，這就要求飛行器具備一定的復(fù)雜問題處理能力，能夠在不確定性的條件中自主決策。飛行器的自主控制的核心技術(shù)便是人工智能，人工智能技術(shù)水平的高低直接決定了飛行器的自主控制水平。而在這一問題上，仿生感知、仿生控制成為了自主控制技術(shù)發(fā)展的轉(zhuǎn)折點。

5.3 多機編隊協(xié)同控制技術(shù)

在任務(wù)的執(zhí)行過程中，飛行器由于各類主客觀原因會有所損失。若僅僅只有單飛行器執(zhí)行任務(wù)，那么一旦出現(xiàn)突發(fā)情況，飛行器不得不脫離任務(wù)，致使任務(wù)失敗。但是若執(zhí)行任務(wù)的飛行器有多個，以編隊的方式執(zhí)行任務(wù)，那么出現(xiàn)單個飛行器脫離任務(wù)，只會影響任務(wù)完成度。無人機在編隊飛行中，通過共享信息可以隨時變化隊形，并自主靈活的應(yīng)對突發(fā)事件，另外還可以在隊伍中編入備用飛行器，以保證任務(wù)的執(zhí)行程度。在戰(zhàn)場中，任務(wù)的復(fù)雜性、多變性較高，因而這種冗余度、可靠性可以確保任務(wù)更好地完成，編隊飛行的突出特點便在此。飛行器的單獨荷載量有限，因此單個飛行器執(zhí)行任務(wù)的困難度較高，而編隊協(xié)同的方式可以有效提高飛行器應(yīng)對突發(fā)事件的能力，提高任務(wù)的成功率，在干擾任務(wù)以及偵查任務(wù)中發(fā)揮巨大的優(yōu)勢。但是對飛行器進行編隊需要建立在完善的分布控制技術(shù)之上的，因此必須予以深入研究。

6 結(jié)束語

文章介紹了四旋翼飛行器的組成結(jié)構(gòu)、用途和未來技術(shù)發(fā)展方向等，對四旋翼飛行器有了概括性的認識。目前，市場上絕大部分的多旋翼飛行器產(chǎn)品都是用來航拍、航測，只有小部分產(chǎn)品應(yīng)用于農(nóng)業(yè)噴灑和軍事偵察，但是隨著對四旋翼、甚至多旋翼飛行器的研究與探索，將會有更多的用途體現(xiàn)出來。

參考文獻

[1]Norm Goyer.航空運動[M].航空世界雜志社譯.北京：航空工業(yè)出版社，2006：120-132.

[2]朱清華.自轉(zhuǎn)旋翼飛行器總體設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[3]聶博文.微小型四旋翼無人直升機建模及控制方法研究[J].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006（4）：113-117.

[4]金海波，丁運亮.飛機概念設(shè)計中的外形參數(shù)化模型的研究[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2003，35（5）：540-544.

[5]竹林村，胡開全.幾種低空遙感系統(tǒng)對比分析[J].城市勘測，2009（3）：65-67.

[6]黃惠珍.遙感技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].科技信息，2010（24）：46.