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)動領(lǐng)域的新星，并得到越來越多相關(guān)行業(yè)的關(guān)注。

當(dāng)前，圍繞多旋翼飛行器相關(guān)創(chuàng)意、技術(shù)、產(chǎn)品、應(yīng)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(shù)的發(fā)展更是迅猛，已成為微小型無人機(jī)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(jìn)行論述。

早期的多旋翼飛行器

人類總是在不斷探索中進(jìn)步。18世紀(jì)后期蒙哥費(fèi)爾熱氣球的成功升空，開創(chuàng)了人類飛行的新時(shí)代。1903年世界上第一架重于空氣、有動力、可控飛機(jī)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(jī)，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(yàn)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(shí)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(shè)計(jì)了VZ-7四旋翼飛行器，并交付給軍方兩架原型機(jī)。雖然這款飛機(jī)的飛行相對穩(wěn)定，卻依然沒有達(dá)到軍方對飛行高度和速度的要求，故該計(jì)劃沒有進(jìn)一步推進(jìn)。此后50年過去了，盡管通過世界各國科學(xué)家的不斷探索，四旋翼直升機(jī)在技術(shù)上有了一些進(jìn)步，但還是不能滿足軍事方面的要求。

從20世紀(jì)初到20世紀(jì)中期，直升機(jī)的發(fā)展進(jìn)入探索期，包括多旋翼在內(nèi)的各種試驗(yàn)性機(jī)型相繼問世。最終，單旋翼帶尾槳式直升機(jī)成為至今最流行的形式。到20世紀(jì)后期，傳統(tǒng)構(gòu)型的直升機(jī)技術(shù)問題基本解決，進(jìn)入了航空實(shí)用期。其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，數(shù)量迅速增加。而多旋翼構(gòu)型則被慢慢冷落。

此后十幾年，有關(guān)多旋翼直升機(jī)的技術(shù)都沒有什么進(jìn)展。究其原因，主要有3個(gè)問題：首先是系統(tǒng)本身不穩(wěn)定，導(dǎo)致飛行員的負(fù)擔(dān)太重；其次是發(fā)動機(jī)技術(shù)不能滿足要求，油門反應(yīng)速度慢；第三是其運(yùn)動主要依賴于螺旋槳速度的及時(shí)改變，而這種方式不宜推廣到大尺寸機(jī)型上。

多旋翼無人機(jī)的興起

20世紀(jì)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(shù)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(xué)模型、非線性估計(jì)算法、非線性控制算法和MEMS微機(jī)電產(chǎn)品的發(fā)展，特別是20世紀(jì)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(jì)、壓力傳感器、GPS模塊等技術(shù)都進(jìn)入了成熟期。其次是電池技術(shù)取得了較大突破。1991年索尼公司發(fā)布了首個(gè)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(jìn)步，微電機(jī)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(jī)進(jìn)入了發(fā)展快速期。

綜上所述，在20世紀(jì)90年代，小型多旋翼無人機(jī)所需要的技術(shù)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(yàn)平臺、研發(fā)和使用多旋翼無人機(jī)。2012年初，大疆創(chuàng)新科技公司推出了“小精靈”一體機(jī)。因其飛行控制簡單，初學(xué)者很快就能上手，而且價(jià)格也能被普通消費(fèi)者接受，一時(shí)間搭載GoPro運(yùn)動相機(jī)拍攝極限運(yùn)動成為年輕人競相追逐的時(shí)尚潮流。至此，多旋翼飛行器在火爆的航模消費(fèi)市場中完成了自己的逆襲。

多旋翼無人機(jī)

的主要特點(diǎn)

我們知道傳統(tǒng)直升機(jī)主旋翼的旋轉(zhuǎn)力矩會使機(jī)身扭轉(zhuǎn)。為了平衡這個(gè)力矩，直升機(jī)的尾部通常裝有一個(gè)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(jī)體的四周并處于同一高度平面，且螺旋槳的結(jié)構(gòu)和半徑都相同。正是由于采用了這種對稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此各個(gè)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(jī)可以完成復(fù)雜的空中飛行任務(wù)并搭載多種設(shè)備。它通常包含飛控導(dǎo)航系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、飛行平臺、地面站、任務(wù)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(gè)旋翼發(fā)生故障，通過關(guān)閉對稱方向上的旋翼，多旋翼無人機(jī)還能穩(wěn)定飛行。然而旋翼數(shù)越多，飛行器上所需要的設(shè)備越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，因此需要綜合考慮。

多旋翼無人機(jī)的動力源主要是鋰聚合物電池。相比燃油發(fā)動機(jī)驅(qū)動，電機(jī)的機(jī)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(jī)無人機(jī)還有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

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

（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(shí)仍能安全降落；

（4）槳葉多采用固定螺距，易于制造，飛行危險(xiǎn)性??；

（5）整體結(jié)構(gòu)簡單，相比傳統(tǒng)主流直升機(jī)更易于維護(hù)、經(jīng)濟(jì)性較高。

多旋翼無人機(jī)

的飛行原理

為了實(shí)現(xiàn)對多旋翼無人機(jī)的姿態(tài)控制，必須對各旋翼的推力進(jìn)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(yīng)，但使得飛行器的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜；改變旋翼轉(zhuǎn)速的方法實(shí)現(xiàn)起來更加簡單，卻有時(shí)間上的滯后，原因是電機(jī)不能瞬時(shí)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(jī)的技術(shù)。下面以四旋翼為例，說明多旋翼無人機(jī)的飛行原理。如下圖所示，初始時(shí)水平方向的兩個(gè)旋翼逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，垂直方向的兩個(gè)旋翼順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，該四旋翼飛行器可通過4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)升力變化，從而改變飛行姿態(tài)和位置。

當(dāng)4個(gè)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(dāng)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(dāng)一對相同旋轉(zhuǎn)方向的旋翼不變，另一對中一個(gè)增大轉(zhuǎn)速（升力），一個(gè)減小轉(zhuǎn)速（升力），該四旋翼可進(jìn)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(jī)翼，又稱為葉素。

葉素理論假設(shè)槳葉由連續(xù)布置的多個(gè)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(guān)。通過分析葉素的運(yùn)動和受力情況，可得出其幾何特性與空氣動力學(xué)特性之間的聯(lián)系，從而計(jì)算出旋翼旋轉(zhuǎn)速度和傾角與槳葉受力的關(guān)系。