四旋翼無人機(jī)設(shè)計(jì)

王典++王玲

摘要：本文以四旋翼輕型民用無人機(jī)設(shè)計(jì)為主旨，主打?qū)嵱没?、多功能化，并結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)使消費(fèi)者根據(jù)自身的使用用途，可以有更多更全面的的選擇配件的方式，既可以實(shí)現(xiàn)通過搭配不同配件實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的目的，又可以幫助消費(fèi)者節(jié)省更多不必要花費(fèi)的資金。多功能能的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)民用高空拍攝、救援取景等多方面作業(yè)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；人機(jī)互動(dòng)；模塊化；多功能；航拍

1.無人機(jī)歷史簡介

隨著民用無人機(jī)全新應(yīng)用場景不斷涌現(xiàn)，這一市場的潛在規(guī)模正在急速擴(kuò)容。近期京東已展開無人機(jī)送貨測試，未來將有望將無人機(jī)用于農(nóng)村電商“最后一公里”的配送中。這意味著，此前一直被外界認(rèn)為是“高端玩具”的民用無人機(jī)，正在突破“發(fā)燒友追捧”的發(fā)展階段，開始逐漸應(yīng)用于更多實(shí)用場景。關(guān)行業(yè)報(bào)告指出，無人機(jī)產(chǎn)業(yè)未來十年成長空間廣闊，其市場規(guī)模在千億元級別；芯片、傳感器、電池等產(chǎn)業(yè)鏈上下游的成長潛力同樣不容小覷。隨著無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，其全產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模則有望攀高至3000億元左右。構(gòu)報(bào)告預(yù)測，無人機(jī)市場規(guī)模將在未來幾年迅猛增長，未來5年硬件產(chǎn)品復(fù)合年增長率將超過50%，而軟件和服務(wù)的增長率則有可能翻番。下圖為2011年-2015年百度無人機(jī)指數(shù)。無人機(jī)發(fā)展至今已經(jīng)有近100年的歷史，一直以來，受到技術(shù)、政策等因素的限制，無人機(jī)發(fā)展速度一直比較緩慢而且主要集中軍事領(lǐng)域，而最近幾年，無人機(jī)，特別是民用無人機(jī)得到了前所未有的機(jī)遇。事實(shí)上，新的無人機(jī)應(yīng)用場景不斷涌現(xiàn)，已經(jīng)引起了產(chǎn)業(yè)界和投資界的關(guān)注。國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)人士和投資機(jī)構(gòu)普遍認(rèn)為，隨著無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的多樣化，其潛在市場規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大。

2.無人機(jī)的類別及特點(diǎn)優(yōu)勢

無人機(jī)是無人駕駛飛機(jī)的簡稱（Unmanned Aerial Vehicle），是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置的不載人飛機(jī)，包括無人直升機(jī)、固定翼機(jī)、多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機(jī)。廣義地看也包括臨近空間飛行器（20-100公里空域），如平流層飛艇、高空氣球、太陽能無人機(jī)等。從某種角度來看，無人機(jī)可以在無人駕駛的條件下完成復(fù)雜空中飛行任務(wù)和各種負(fù)載任務(wù)，可以被看做是“空中機(jī)器人”。

按照不同平臺(tái)構(gòu)型來分類，無人機(jī)可主要有固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)和多旋翼無人機(jī)三大平臺(tái)（如圖表所示），其它小種類無人機(jī)平臺(tái)還包括傘翼無人機(jī)、撲翼無人機(jī)和無人飛船等。固定翼無人機(jī)是軍用和多數(shù)民用無人機(jī)的主流平臺(tái)，最大特點(diǎn)是飛行速度較快；無人直升機(jī)是靈活性最強(qiáng)的無人機(jī)平臺(tái)，可以原地垂直起飛和懸停；多旋翼（多軸）無人機(jī)是消費(fèi)級和部分民用用途的首選平臺(tái)，靈活性介于固定翼和直升機(jī)中間（起降需要推力），但操縱簡單、成本較低。

3.無人機(jī)關(guān)鍵設(shè)計(jì)分析

3.1、無人機(jī)結(jié)構(gòu)和組成分析

無人機(jī)也稱為多旋翼飛行器，包括如下部分：

與固定翼無人機(jī)相比，多軸飛行器的飛行更加穩(wěn)定，能在空中懸停。主機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)的遙控器的結(jié)構(gòu)圖如下圖。其只是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的解剖圖，有些更加高級的如針對航模發(fā)燒友和航拍用戶們的無人機(jī)系統(tǒng)，還會(huì)要求有云臺(tái)、攝像頭、視頻傳輸系統(tǒng)以及視頻接收等更多模塊。

3.2各類材料在無人機(jī)上的應(yīng)用

縱觀國外無人機(jī)（包括中、高空無人偵察機(jī)、無人作戰(zhàn)飛機(jī)等），無一例外地大量使用了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，有些甚至是全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，因此以復(fù)合材料為核心的無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)是影響無人機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界上各種先進(jìn)無人機(jī)的復(fù)合材料用量一般占機(jī)體結(jié)構(gòu)總重的60% ～80%，復(fù)合材料的總用量可達(dá)90%以上。目前，復(fù)合材料在無人機(jī)領(lǐng)域已成為主要結(jié)構(gòu)材料，如昆明勁鷹無人機(jī)使用碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料、蜂窩夾層復(fù)合材料等，復(fù)合材料的耐腐蝕性能，可滿足無人機(jī)惡劣環(huán)境下長儲(chǔ)存壽命的特殊要求，降低使用維護(hù)的壽命周期成本。再次，復(fù)合材料易植入芯片或合金導(dǎo)體形成智能材料、結(jié)構(gòu)。

4.無人機(jī)產(chǎn)業(yè)政策

軍民融合助力“無人機(jī)”概念早已提出。有關(guān)無人機(jī)民用的消息，早在2014年就已接連不斷地出現(xiàn)在公眾面前，吸引了大量眼球。如無人機(jī)在多部影視作品拍攝，Google和Facebook競相收購無人機(jī)資產(chǎn)布局全球互聯(lián)網(wǎng)等等，當(dāng)時(shí)的火熱情景帶來了此后幾年無人機(jī)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。就在前一段時(shí)間，美國方面發(fā)布消息稱正研究智能意識(shí)無人機(jī)。諸多消息的集中涌現(xiàn)使得“無人機(jī)”成為短期熱門關(guān)鍵詞。

其實(shí)，無人機(jī)在今年火熱絕不是突然興起的，其除了年初受中國民用航空局發(fā)布的《輕小無人機(jī)運(yùn)行規(guī)定（試行）》政策影響外，軍民融合政策的進(jìn)一步落實(shí)也是推動(dòng)無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，而國務(wù)院最新發(fā)布的《關(guān)于2016年深化經(jīng)濟(jì)體制改革重點(diǎn)工作的意見》，更是對無人機(jī)的發(fā)展帶來利好環(huán)境條件。今年3月初，國家領(lǐng)導(dǎo)人提出要把軍民融合發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，在此之后，明顯可看到軍民融合步伐的明顯加快。3月25日，中共中央政治局審議通過了《關(guān)于經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)融合發(fā)展的意見》，這是繼國防科工局發(fā)布《2016年國防科工局軍民融合專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃》之后又一助推軍民融合深度發(fā)展的重磅政策。

5.無人機(jī)產(chǎn)業(yè)有望迎來爆發(fā)元年

從大疆創(chuàng)新宣布即將在中日韓同步發(fā)售MG-1農(nóng)業(yè)植保機(jī)，到騰訊在2016年度發(fā)布會(huì)上正式發(fā)布首款無人機(jī)產(chǎn)品“空影YING”，再到美研發(fā)智能意識(shí)無人機(jī)等等，諸多消息的發(fā)酵和在國內(nèi)軍民融合政策的驅(qū)動(dòng)下，我國無人機(jī)產(chǎn)業(yè)有望在2016年迎來爆發(fā)。

在無人機(jī)領(lǐng)域，目前除了軍用無人機(jī)體現(xiàn)出無人機(jī)市場的主要價(jià)值外，隨著飛行控制芯片小型化與低成本化趨勢加強(qiáng)，民用與消費(fèi)級無人機(jī)商業(yè)價(jià)值也在凸顯中。有機(jī)構(gòu)預(yù)測，未來5年民用與消費(fèi)級無人機(jī)兩大領(lǐng)域年均復(fù)合增長率將保持在19%以上。長江證券（000783，股吧）認(rèn)為，“在未來3～5年時(shí)間里，擺在國內(nèi)無人機(jī)廠商面前的是全球消費(fèi)級市場及國內(nèi)工業(yè)級市場，而且對于國內(nèi)市場，工業(yè)級應(yīng)用潛力更大”。面對未來千億無人機(jī)產(chǎn)業(yè)空間，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)很可能會(huì)進(jìn)一步加大投資力度，而在政府的相關(guān)制度力推下，特別是低空管制即將放開的預(yù)期影響，2016年很可能會(huì)成為國內(nèi)無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)元年。機(jī)構(gòu)認(rèn)為，無人機(jī)消費(fèi)級和工業(yè)級市場值得關(guān)注。其中，農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域有望在政策支持和適合的商業(yè)模式下率先爆發(fā)，電力、油氣領(lǐng)域批量采購也或?qū)⒃谀陜?nèi)啟動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李威、郭權(quán)鋒，碳纖維復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，中國光，2011.06。