小型旋翼無(wú)人機(jī)技術(shù)綜述

黃鑄

摘 要：隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)和飛行自主控制技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)這種原本主要應(yīng)用于軍事的設(shè)備逐漸走進(jìn)了普通消費(fèi)者的視野之中，其中又以小型旋翼無(wú)人機(jī)最為普遍。小型旋翼無(wú)人機(jī)是無(wú)人機(jī)的一種，其是指通過(guò)無(wú)線電遙控，能夠垂直起降并且具有一定自主飛行能力的小型不載人飛行器。小型旋翼無(wú)人機(jī)在航空拍攝、農(nóng)業(yè)植保、電路巡線中得到了廣泛的應(yīng)用，給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的便利。本文從小型旋翼無(wú)人機(jī)的概念講起，總結(jié)了小型旋翼無(wú)人機(jī)的分類、關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展，最后對(duì)小型旋翼無(wú)人機(jī)的未來(lái)做出一定的展望。

關(guān)鍵詞：旋翼無(wú)人機(jī)；小型；發(fā)展

中圖分類號(hào)：V279 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）10-0088-02

1 小型旋翼無(wú)人機(jī)概況

1.1 小型旋翼無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)介

小型旋翼無(wú)人機(jī)是一種具有旋翼結(jié)構(gòu)，由無(wú)線電遙控的微機(jī)電系統(tǒng)集成的小型不載人飛行器。小型旋翼無(wú)人機(jī)能夠在飛行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)垂直起降、自由懸停，具備自主飛行和著陸能力。小型旋翼無(wú)人機(jī)根據(jù)旋翼的數(shù)量，分為單旋翼無(wú)人機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)。單旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)類似于直升機(jī)，其特點(diǎn)是續(xù)航較為持久。而多旋翼無(wú)人機(jī)又分為三旋翼、四旋翼、六旋翼、八旋翼等，相對(duì)于單旋翼，多旋翼無(wú)人機(jī)更為靈活穩(wěn)定，載重能力更強(qiáng)，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，所以得到了更加廣泛的應(yīng)用，見(jiàn)圖1。

通過(guò)搭載不同的設(shè)備，小型旋翼無(wú)人機(jī)可實(shí)現(xiàn)在各行業(yè)中的多種應(yīng)用：搭載相機(jī)，可用于航空拍攝、電路巡線、高空監(jiān)控、電影拍攝等；搭載農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)設(shè)備，可用于農(nóng)業(yè)植保；搭載測(cè)繪儀器，可用于地理勘測(cè)、地圖繪制等；搭載救援物資，可用于人道主義救援及物資運(yùn)送；搭載包裹和信件，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的無(wú)人快遞送貨。

1.2 小型旋翼無(wú)人機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)狀

旋翼式飛機(jī)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)初期，但在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有受到人們的重視，只是在軍事上有小規(guī)模的應(yīng)用而已。在20世紀(jì)90年代后，隨著微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展逐漸成熟，小型自動(dòng)控制器成為現(xiàn)實(shí)，但由于單片機(jī)的運(yùn)算速度有限，直到2005年，穩(wěn)定的小型旋翼無(wú)人機(jī)才被正式開(kāi)發(fā)出來(lái)。隨后，小型旋翼無(wú)人機(jī)的開(kāi)始進(jìn)入人們的生活，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，小型旋翼無(wú)人機(jī)的發(fā)展在2013年進(jìn)入爆發(fā)期，國(guó)內(nèi)外的一大批創(chuàng)業(yè)公司和投資者瘋狂進(jìn)入，市場(chǎng)規(guī)模越來(lái)越大。

目前，我國(guó)無(wú)人機(jī)發(fā)展迅猛，已經(jīng)成為了備受關(guān)注的新興產(chǎn)業(yè)。我國(guó)主要的無(wú)人機(jī)生產(chǎn)企業(yè)有深圳大疆創(chuàng)新、廣州億航智能、北京零度智控等。其中，深圳市大疆創(chuàng)新在技術(shù)上是小型旋翼無(wú)人機(jī)行業(yè)的領(lǐng)跑者，占有全球無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的50%份額?，F(xiàn)在，國(guó)內(nèi)注冊(cè)的無(wú)人機(jī)企業(yè)已近萬(wàn)家，無(wú)人機(jī)的產(chǎn)值也高達(dá)40億，而其中消費(fèi)級(jí)的航拍無(wú)人機(jī)占最大份額，以下是幾款小型旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)比：

從表1中可以看出，小型旋翼無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)主要以四旋翼無(wú)人機(jī)為主流，這是因?yàn)樗男聿僮骱?jiǎn)便，穩(wěn)定性高且成本較低。其功能大多集中于航拍，并且這類產(chǎn)品已經(jīng)從高精尖的技術(shù)人員下探到了普通消費(fèi)者，特殊用途（如植保，救援，運(yùn)輸）的無(wú)人機(jī)品種較少且價(jià)格較高。受限于機(jī)載電池的體積和容量，小型旋翼無(wú)人機(jī)的續(xù)航普遍不高，都在半小時(shí)左右。

2 小型旋翼無(wú)人機(jī)的技術(shù)

2.1 主要技術(shù)

小型旋翼無(wú)人機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)技術(shù)決定了無(wú)人機(jī)的性能。小型旋翼無(wú)人機(jī)的組成如圖2所示。

2.1.1 機(jī)身

機(jī)身是飛行器的主體部分，位于旋翼無(wú)人機(jī)的中央。無(wú)人機(jī)的其他組件——電池、傳動(dòng)系統(tǒng)、航空電子設(shè)備、傳感器等，根據(jù)重量對(duì)稱平衡原則均安裝在機(jī)身的不同位置上，如圖3所示。小型旋翼無(wú)人機(jī)的常用架構(gòu)模式有X字模式和十字模式，X字模式的效率更高，因此高性能的小型旋翼無(wú)人機(jī)多采用X字型架構(gòu)。小型旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)臂一般使用碳纖維圓管作為主要材料。碳纖維圓管的強(qiáng)度更高且不易變形，可以承受更大的外力。在機(jī)身材料的選擇上，通過(guò)玻璃纖維和樹(shù)脂的配合使用，機(jī)身重量大大減小同時(shí)機(jī)身強(qiáng)度有效提高，并使機(jī)身具有高耐熱性和耐腐蝕性，從而使無(wú)人機(jī)在各種環(huán)境下穩(wěn)定工作。

2.1.2 動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)是產(chǎn)生動(dòng)力并以一定方式傳遞動(dòng)力使小型旋翼無(wú)人機(jī)產(chǎn)生移動(dòng)的一套組件。傳動(dòng)系統(tǒng)中主要包含了螺旋槳、電機(jī)、電子速度控制器和電池。電機(jī)是小型旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)。在小型旋翼無(wú)人機(jī)中，通常使用無(wú)刷電機(jī)，這一類電機(jī)產(chǎn)生的噪聲低，對(duì)飛行干擾小且更為高效可靠。常見(jiàn)的旋翼無(wú)人機(jī)的多個(gè)電機(jī)對(duì)稱分布在各個(gè)軸上，并且同一條軸線上電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相同，相鄰的電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，以抵消陀螺效應(yīng)和動(dòng)力扭矩，維持無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定。電機(jī)與螺旋槳相連，控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，螺旋槳是直接與空氣作用產(chǎn)生升力的裝置。較大的螺旋槳產(chǎn)生的升力越大，但同時(shí)效率也越低。在飛行過(guò)程中，無(wú)人機(jī)通過(guò)電子速度控制器對(duì)飛行速度進(jìn)行調(diào)整，將直流電池產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)化為可供無(wú)刷電機(jī)使用的三相交流電源。電池是小型旋翼無(wú)人機(jī)的供電裝置，給電機(jī)和機(jī)載電子設(shè)備供電，一般以高密度鋰電池為主。旋翼無(wú)人機(jī)通過(guò)電子速度控制器傳輸信號(hào)，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的懸停、升降、前進(jìn)等飛行狀態(tài)的調(diào)整。

2.1.3 飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)完成操作者操控的既定任務(wù)或?qū)崟r(shí)任務(wù)所必須的核心系統(tǒng)。飛行控制器由信號(hào)接收器、GPS、陀螺儀、電量顯示器、機(jī)載傳感器和機(jī)載計(jì)算機(jī)構(gòu)成。信號(hào)接收器用于接受由遙控裝置發(fā)出的信號(hào)。GPS模塊包括GPS接收器和磁力計(jì)，再與陀螺儀配合組成慣性導(dǎo)航控制系統(tǒng)，搭載在小型旋翼無(wú)人機(jī)上可提供飛行器所處的經(jīng)緯度、高度、航跡方向和地速等信息。通過(guò)飛控系統(tǒng)各部分的協(xié)調(diào)運(yùn)作，無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)多種飛行模式，如懸停、導(dǎo)航、跟隨等。機(jī)載計(jì)算機(jī)是飛控系統(tǒng)的中樞系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中的狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)算并計(jì)算出最優(yōu)的動(dòng)作方案，指揮旋翼無(wú)人機(jī)的飛行。飛控系統(tǒng)獲得從機(jī)載接收機(jī)發(fā)出的PWM信號(hào)，隨后把該信號(hào)轉(zhuǎn)化成控制量，再經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)把輸出量輸送給各個(gè)電機(jī)來(lái)控制無(wú)人機(jī)的動(dòng)作。飛控系統(tǒng)通過(guò)電子速度控制器調(diào)控電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以此實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作，并調(diào)控外設(shè)設(shè)備。同時(shí)，飛控系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)終端的核心，會(huì)飛行過(guò)程中記錄無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)、位置信息、任務(wù)情況和載荷數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娼K端。如果沒(méi)有飛控，無(wú)人機(jī)就會(huì)因?yàn)闊o(wú)法平衡安裝過(guò)程中零件不一致、各組成部分間不能相互配合等原因，而不能穩(wěn)定地飛行。

2.1.4 其他組成

小型旋翼無(wú)人機(jī)的其他主要組成還有遙控裝置、任務(wù)設(shè)備和通信模塊。對(duì)小型旋翼無(wú)人機(jī)的操控主要通過(guò)遙控裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，遙控裝置包括遙控器和接收器。接收器安裝在飛行器上，為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的遙控?zé)o線接收單元。遙控器用于發(fā)出電子信號(hào)控制小型旋翼無(wú)人機(jī)飛行并接受飛行器反饋的飛行信息。任務(wù)設(shè)備直接體現(xiàn)小型旋翼無(wú)人機(jī)的特定功能，小型旋翼無(wú)人機(jī)應(yīng)用于不同的領(lǐng)域時(shí)，會(huì)搭載不同的任務(wù)設(shè)備。數(shù)傳和圖傳是通信模塊的主要部件。數(shù)傳即以數(shù)字傳輸?shù)男问酵瓿娠w控系統(tǒng)和數(shù)傳終端間的數(shù)據(jù)信息交流，圖傳則是接受機(jī)載相機(jī)完成拍攝后的圖像傳輸。

2.2 主要問(wèn)題

2.2.1 續(xù)航問(wèn)題

小型旋翼無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間短是目前旋翼無(wú)人機(jī)產(chǎn)品與市場(chǎng)需求的主要矛盾。一般的電池只能使小型旋翼無(wú)人機(jī)續(xù)航20分鐘左右。受到普通的鋰電池能量密度小、直流電機(jī)電功率太大的局限，在面對(duì)需要較長(zhǎng)時(shí)間的工作，例如快遞運(yùn)送、地理測(cè)繪時(shí)，將會(huì)遇到很多問(wèn)題。在未來(lái)，如果續(xù)航時(shí)間能夠上升到兩小時(shí)左右，就能滿足絕大部分的作業(yè)要求。

2.2.2 飛行穩(wěn)定性

雖然小型旋翼無(wú)人機(jī)相比于固定翼無(wú)人機(jī)更為穩(wěn)定，但其工作的環(huán)境也更為惡劣。小型旋翼無(wú)人機(jī)最主要的特點(diǎn)是能夠自主懸停，因此對(duì)于穩(wěn)定性的要求更高。小型旋翼無(wú)人機(jī)常在高空中進(jìn)行工作，當(dāng)遇到強(qiáng)風(fēng)、雨天等極端環(huán)境時(shí)，無(wú)人機(jī)的飛行會(huì)受到影響。影響無(wú)人機(jī)穩(wěn)定性的主要因素有：飛行過(guò)程中的幾何風(fēng)阻，重心的位置，重量的分布，螺旋槳與傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配度（螺旋槳越輕反應(yīng)越快）和無(wú)人機(jī)的軟硬件配置（飛控等）。在這些方面，小型旋翼無(wú)人機(jī)還需進(jìn)一步優(yōu)化。

2.2.3 載重能力

小型旋翼無(wú)人機(jī)在將來(lái)會(huì)在快遞運(yùn)送、人道救援中大規(guī)模使用。但是目前無(wú)人機(jī)的承載重量十分有限，大多數(shù)無(wú)人機(jī)只能搭載重量較小的攝像頭。小型旋翼無(wú)人機(jī)的載重能力受到自身重量及其動(dòng)力的限制，市場(chǎng)上的小型旋翼無(wú)人機(jī)大多只能搭載較小的應(yīng)用平臺(tái)，如小型攝像平臺(tái)。這一缺點(diǎn)直接導(dǎo)致了目前小型旋翼無(wú)人機(jī)應(yīng)用不寬廣的局面。

3 小型旋翼無(wú)人機(jī)的未來(lái)發(fā)展

目前，小型旋翼無(wú)人機(jī)在民用市場(chǎng)的份額逐漸上升，在航拍等領(lǐng)域展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)，小型旋翼無(wú)人機(jī)仍處于不斷發(fā)展優(yōu)化的過(guò)程中。本文認(rèn)為小型旋翼無(wú)人機(jī)將在續(xù)航能力、飛行穩(wěn)定性、載重能力、功能多樣化等方面進(jìn)行突破。針對(duì)續(xù)航能力，目前主要提出了研制新型電池、應(yīng)用混合動(dòng)力、無(wú)線充電等設(shè)想。隨著續(xù)航能力的提升，小型旋翼無(wú)人機(jī)可以廣泛運(yùn)用于對(duì)工作時(shí)長(zhǎng)要求較高的地理勘測(cè)、管道巡線等作業(yè)中。針對(duì)穩(wěn)定性，可以優(yōu)化無(wú)人機(jī)的自主控制系統(tǒng)，使其在地圖測(cè)繪、高空監(jiān)控等高空作業(yè)中派上用場(chǎng)。針對(duì)載重能力，可以研究新型機(jī)身材料或是提高小型旋翼無(wú)人機(jī)的飛行動(dòng)力，高載重的無(wú)人機(jī)將會(huì)被用于快遞運(yùn)送和人道救援物資運(yùn)送。總之，以小型旋翼無(wú)人機(jī)為代表的民用無(wú)人空中系統(tǒng)正在世界范圍內(nèi)掀起發(fā)展熱潮。盡管此類系統(tǒng)的使用在政策監(jiān)管方面仍面臨不少問(wèn)題，但它在各方面的應(yīng)用需求快速增長(zhǎng)，有望在不久的將來(lái)成為閃耀的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

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