代　君，管宇峰，任淑紅

（1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南　鄭州　450001）

多旋翼無(wú)人機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)探討

代君1，管宇峰2，任淑紅1

（1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南鄭州450001）

隨著微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，多旋翼無(wú)人機(jī)受到了人們的極大關(guān)注，成為近幾年來的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外各大科研院校、商業(yè)公司、軍事機(jī)構(gòu)都對(duì)其進(jìn)行了深入的研究.本文對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展過程進(jìn)行了介紹，列舉了國(guó)內(nèi)外一些具有代表性的多旋翼無(wú)人機(jī)科研項(xiàng)目，對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了概括.

多旋翼；無(wú)人機(jī)；發(fā)展

引言

多旋翼無(wú)人機(jī)是一種能夠垂直起降的無(wú)人直升機(jī)，其發(fā)展歷史最早可以追溯到1907年，當(dāng)時(shí)Breguet兄弟Louis和Jacque在法國(guó)科學(xué)家Charles Richet的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)制造了世界上第一架有人駕駛的多旋翼飛機(jī)—“旋翼機(jī)一號(hào)”.如圖1所示，這架飛機(jī)加上飛行員總重為578kg，飛行器的框架由四個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的焊接鋼管支架組成，并按水平十字交叉形式分布.四個(gè)旋翼處于框架的對(duì)角線位置，其中一對(duì)按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，另一對(duì)按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，動(dòng)力裝置為一臺(tái)36.7千瓦的發(fā)動(dòng)機(jī)，它是通過駕駛員控制油門來對(duì)其進(jìn)行控制，但是由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)限制，他們無(wú)法實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的控制，從那以后人們將目光轉(zhuǎn)向直升機(jī)和固定翼飛機(jī)，一直到二十世紀(jì)九十年代，多旋翼的發(fā)展就一直處于停滯狀態(tài).而二十世紀(jì)九十年代以后隨著MEMS技術(shù)、無(wú)刷電機(jī)技術(shù)、微處理技術(shù)的發(fā)展，小型多旋翼無(wú)人機(jī)又重新進(jìn)入人們的視野，成為各大科研機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn).

圖1　Breguet-Richet的“GyroplaneNo1”油動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)

多旋翼無(wú)人機(jī)根據(jù)旋翼的數(shù)目可以分為四旋翼、六旋翼、八旋翼等類型，還有一些特殊造型的多旋翼無(wú)人機(jī)，其最大特點(diǎn)就是具有多對(duì)旋翼，并且每對(duì)旋翼的轉(zhuǎn)向相反，用來抵消彼此反扭力矩.圖2是一架典型的四旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，四個(gè)旋翼呈十字交叉結(jié)構(gòu)，（在“+”字型工作模式下）旋翼1、3沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，旋翼2、4沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣四個(gè)旋翼產(chǎn)生的反扭力矩可以相互抵消，通過改變四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速就可以實(shí)現(xiàn)俯仰、滾轉(zhuǎn)、航向和高度通道的控制.

圖2　四旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

多旋翼無(wú)機(jī)人相較于其它無(wú)人機(jī)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，與固定翼飛機(jī)相比，它具有可以垂直起降，可以定點(diǎn)盤旋的優(yōu)點(diǎn)；與單旋翼直升機(jī)相比，它采用無(wú)刷電機(jī)作為動(dòng)力，并且沒有尾槳裝置，因此具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高、使用成本低等優(yōu)點(diǎn).多旋翼無(wú)人機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)使它在以下領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用：

教育科研領(lǐng)域應(yīng)用，多旋翼無(wú)人機(jī)的研究涉及到自動(dòng)控制技術(shù)、MEMS傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)等，是多科學(xué)領(lǐng)域融合研究的一個(gè)理想平臺(tái)；

航拍領(lǐng)域應(yīng)用，利用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載相機(jī)設(shè)備（可見光相機(jī)/紅外相機(jī)），并配備圖像傳輸系統(tǒng)，被人們稱為“可飛行的相機(jī)”已被廣泛的應(yīng)用于影視航拍、電力巡線、測(cè)繪等行業(yè)；

軍事領(lǐng)域應(yīng)用，多旋翼無(wú)人機(jī)搭載偵查設(shè)備快速飛行到危險(xiǎn)區(qū)域執(zhí)行偵查任務(wù)，為作戰(zhàn)人員提供戰(zhàn)場(chǎng)信息，是單兵作戰(zhàn)的理想裝備；

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，利用多旋翼無(wú)人機(jī)替代人進(jìn)行噴灑農(nóng)藥，具有成本低、效率高，減少農(nóng)藥對(duì)人體傷害等優(yōu)勢(shì)；

快遞行業(yè)應(yīng)用，利用多旋翼無(wú)人機(jī)運(yùn)送快遞具有節(jié)約人力成本，且速度快不受地面交通限制的優(yōu)點(diǎn)，美國(guó)的亞馬遜，中國(guó)的順豐都在對(duì)多旋翼運(yùn)送快遞進(jìn)行測(cè)試，美國(guó)達(dá)美樂披薩店，已在英國(guó)成功地空運(yùn)了首個(gè)披薩外賣.

多旋翼無(wú)人機(jī)的巨大優(yōu)點(diǎn)、廣闊的應(yīng)用前景使它成為無(wú)人機(jī)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，各大科研機(jī)構(gòu)以都掀起了一股多旋翼研究的熱潮，而商業(yè)應(yīng)用多旋翼無(wú)人機(jī)也遍地開花，從實(shí)驗(yàn)室走向國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各項(xiàng)領(lǐng)域，以下對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀以及一些典型的多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行介紹.

1　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1瑞士聯(lián)邦科技學(xué)院OS4四旋翼無(wú)人機(jī)

OS4是EPFL自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一種電動(dòng)小型四旋翼飛行器.他們研究的重點(diǎn)是飛行控制算法的開發(fā)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)多旋翼無(wú)人機(jī)室內(nèi)外完全自主的飛行.目前該機(jī)構(gòu)已經(jīng)開發(fā)出一種稱為IntegralBackstepping的控制算法，該算法兼具PID算法和Backstepping算法的優(yōu)點(diǎn)，并已成功實(shí)現(xiàn)OS4無(wú)人機(jī)的懸停、起飛與降落.

圖3　OS4實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

OS4項(xiàng)目下一步計(jì)劃：改善執(zhí)行機(jī)構(gòu)的帶寬使其具有更快的響應(yīng)速度；增強(qiáng)視覺傳感器的探測(cè)能力并采用濾波算法將慣性導(dǎo)航傳感器與視覺導(dǎo)航傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合；將IMU模塊集成到控制板上，并且在機(jī)載處理器上完成視覺導(dǎo)航數(shù)據(jù)的處理.

1.2斯坦福大學(xué)STARMAC四旋翼無(wú)人機(jī)

斯坦福大學(xué)的STARMAC（StanfordTestbedof AutonomousRotorcraftforMulti-AgentControl）多旋翼無(wú)人機(jī)項(xiàng)目有兩個(gè)研究方向：微型多旋翼飛行器和最小代價(jià)分布式協(xié)同搜尋控制技術(shù).

圖4　Mesicopter微型多旋翼無(wú)人機(jī)

1.3澳大利亞國(guó)立大學(xué)X-4Flyer多旋翼無(wú)人機(jī)

X-4Flyer是澳大利亞國(guó)立大學(xué)研制的大載重量多旋翼無(wú)人機(jī)，其質(zhì)量為4kg,載重量達(dá)到1kg. X-4Flyer如圖5所示.

圖5　X-4Flyer多旋翼無(wú)人機(jī)

1.4商業(yè)多旋翼無(wú)人機(jī)

大疆“悟”多旋翼無(wú)人機(jī)搭載一臺(tái)具有1276萬(wàn)像素的高清相機(jī)，具有視覺導(dǎo)航功能，能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無(wú)GPS情況下穩(wěn)定懸停；大疆MG-1農(nóng)業(yè)植保機(jī)是一款實(shí)現(xiàn)防塵、防水、防腐蝕的工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，每小時(shí)作業(yè)量可達(dá)40至60畝，作業(yè)效率是人工噴灑的40倍以上.

圖6　大疆“悟”多旋翼無(wú)機(jī)/MG-1農(nóng)業(yè)植保機(jī)

德國(guó)microdronesGmbH成立于2005年10月，其產(chǎn)品是工業(yè)級(jí)多旋翼無(wú)人機(jī)的代表，最新產(chǎn)品md4-3000最大起飛重量達(dá)到15公斤，標(biāo)準(zhǔn)載荷3公斤的情況下可持續(xù)飛行45分鐘，最大巡航速速度達(dá)到16米/秒.

圖7　md4-3000多旋翼無(wú)人機(jī)

1.5開源無(wú)人機(jī)項(xiàng)目

開源多旋翼無(wú)人機(jī)項(xiàng)目有MicroCopter,Paparazzi,AutoQuad,OpenPilot,MWC,KK,APM,PX4等，這其中最出名、使用人數(shù)最多的就是美國(guó)3DR公司推出的APM開源飛控.

圖8　Pixhawk飛控硬件和MissionPlanner地面站軟件

ArduPilotMeg簡(jiǎn)稱APM，是一款開源自駕儀，它支持固定翼、直升機(jī)、旋翼機(jī)等機(jī)型.而pixhawk是蘇黎世理工大學(xué)開發(fā)的一款自動(dòng)駕駛儀，2013年兩者合作，3DR公司將APM飛控代碼移植到pixhawk硬件，因此pixhawk飛控硬件可以運(yùn)行兩套飛控程序，即APM飛控程序和蘇黎世理工大學(xué)開發(fā)的原生程序.

2　多旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)

微電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得多旋翼無(wú)人機(jī)的研究取得了飛速的進(jìn)展，但多旋翼的發(fā)展還面臨著諸多關(guān)鍵技術(shù)的挑戰(zhàn)，目前有以下幾方面：

2.1多旋翼無(wú)人機(jī)的精確建模

對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行精確建模是設(shè)計(jì)高性能控制器的前提，但由于多旋翼本身復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特性和飛行過程中的多種物理效應(yīng)的影響，因此目前的研究基本上建立了相對(duì)簡(jiǎn)化的模型.欲建立多旋翼精確的數(shù)學(xué)模型，低雷諾數(shù)條件下的空氣動(dòng)力學(xué)問題、柔性旋翼氣動(dòng)性能參數(shù)的測(cè)量技術(shù)和模型的測(cè)量和驗(yàn)證方法等問題還需進(jìn)一步解決.

2.2能源與動(dòng)力系統(tǒng)

多旋翼無(wú)人機(jī)一般使用鋰電池作為動(dòng)力，飛行時(shí)間一般在30分鐘左右，載重量從幾百克到幾公斤，續(xù)航時(shí)間和載重量成為制約多旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要因素，因此,研制更輕、更高效的動(dòng)力與能源裝置是多旋翼飛行器的關(guān)鍵.

2.3飛行控制系統(tǒng)

多旋翼飛行器是一個(gè)具有六自由度和4個(gè)控制輸入 (旋翼轉(zhuǎn)速)的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(Underactuated System)，具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合和干擾敏感的特性，使得飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得非常困難.此外，控制器性能還將受到模型準(zhǔn)確性和傳感器精度的影響.姿態(tài)控制是多旋翼無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)核心，國(guó)內(nèi)外當(dāng)前研究表明先進(jìn)姿態(tài)控制算法由于模型不確定性等因素，其控制效果反而不如PID控制器，或者只在特定的環(huán)境下具有較好的控制效果.因此，研究一種適宜多旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制算法是十分關(guān)鍵的.

2.4定位、導(dǎo)航與通信

多旋翼無(wú)人機(jī)一般工作在室內(nèi)、隧道、城區(qū)等復(fù)雜環(huán)境中，因此存在定位、導(dǎo)航與通信方面的問題.一方面，在室內(nèi)、隧道或城市樓宇等環(huán)境中，GPS由于信號(hào)的遮擋常常不能正常工作，需要綜合慣導(dǎo)、光學(xué)、聲學(xué)、雷達(dá)和地形匹配等定位與導(dǎo)航技術(shù)；另一方面，多旋翼的飛行環(huán)境復(fù)雜，干擾源多，若要實(shí)現(xiàn)通信鏈的可靠性、安全性和抗干擾性則需要增加通信鏈路的功率，這樣勢(shì)必會(huì)增加通信系統(tǒng)的重量.因此，研制體積小、重量輕、功耗低、穩(wěn)定可靠和抗干擾的通信設(shè)備對(duì)微小型多旋翼飛行器技術(shù)(尤其是多飛行器協(xié)同飛行技術(shù))的發(fā)展而言，是十分關(guān)鍵的.

3　多旋翼無(wú)人機(jī)未來發(fā)展趨勢(shì)

多旋翼無(wú)人機(jī)的發(fā)展不斷朝著智能化，集成化發(fā)展，未來的多旋翼無(wú)人機(jī)飛行動(dòng)力及能源問題將會(huì)得到解決，利用燃料電池、太陽(yáng)能電池或者油動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，其續(xù)航時(shí)間將會(huì)大大增加；其飛行控制系統(tǒng)將是一個(gè)集成導(dǎo)航、通信、自動(dòng)控制的飛行芯片，運(yùn)用更高級(jí)的控制算法，實(shí)現(xiàn)多旋翼無(wú)人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下自主決策和自主控制；微型多旋翼無(wú)人機(jī)與大型多旋翼飛機(jī)并駕齊驅(qū)發(fā)展，其中大型多旋翼飛機(jī)能搭載更多的任務(wù)設(shè)備甚至實(shí)現(xiàn)載人飛行.

4　結(jié)束語(yǔ)

多旋翼無(wú)人機(jī)作為一個(gè)低成本無(wú)人機(jī)平臺(tái)在軍用和民用領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，但還存在一些制約其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)需要解決，隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，在不久的將來，困擾多旋翼無(wú)人機(jī)的難題將會(huì)被逐一解決，多旋翼無(wú)人機(jī)將會(huì)成為一種新的無(wú)人機(jī)平臺(tái)，并在各行各業(yè)中發(fā)揮重要的作用.

〔1〕韓志鳳，李榮冰.小型四旋翼飛行器動(dòng)力學(xué)模型優(yōu)化［J］.控制工程，2013（06）.

〔2〕包宋建，李文森，李琛瑤，王宇.基于單片機(jī)的四旋翼飛行器智能控制及圖像實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2013（05）.

V279

A

1673-260X（2016）08-0022-03

2016-05-26

航空科學(xué)基金（2014ZA55001）；河南省教育廳（15A590001）