多旋翼飛行器發(fā)展概況研究

王 鋒 吳 江 周國慶 李正浩

（1.遼寧通用航空研究院，遼寧 沈陽110136；2.沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，遼寧 沈陽110136）

0 引言

多旋翼飛行器其本身最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，相鄰旋翼產(chǎn)生的扭矩會(huì)相互抵消，所以不像直升機(jī)那樣安裝反扭矩旋翼，利用空氣動(dòng)力來克服自身重量，動(dòng)力利用率高，同時(shí)可自主或遙控飛行。小型多旋翼飛行器具有，體積小、輕便、易隱藏的特點(diǎn)，可以在復(fù)雜環(huán)境執(zhí)行監(jiān)視等任務(wù)。民用方面，多旋翼飛行器在包括航拍、救災(zāi)、勘探、偵察、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。同時(shí)其優(yōu)異的機(jī)動(dòng)性，操作簡單，成本相對低廉，更是成為各大科研機(jī)構(gòu)所青睞[1-4]。

1 多旋翼飛行器早期研究發(fā)展

20世紀(jì)20年代，法國科學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)小的無人直升機(jī)，盡管這臺(tái)機(jī)器沒有成功，但卻激發(fā)了他的學(xué)生Breguet。1907年法國Breguet兄弟制造了第一架多旋翼飛行器，即Breguet-Richet Gyroplane No.1。如圖1所示，Breguet-Richet的多旋翼飛行器[5]。Gyroplane No.1于1907年8月在杜埃進(jìn)行了第一次飛行試驗(yàn)。由于這架四多旋翼飛行器沒有安裝飛行控制系統(tǒng)，所以導(dǎo)致飛行穩(wěn)定性很差[6]。

圖1 Gyroplane No.1外觀圖

1922年，George De Bothezat和Ivan Jerome在俄亥俄州南部城市代頓的美國空軍基地建造了一架大型多旋翼飛行器，每組旋翼由6個(gè)槳葉組成，且槳徑都達(dá)到26英尺，該飛行器的四組旋翼都由一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)能，盡管多旋翼飛行器進(jìn)行了數(shù)百次的飛行試驗(yàn)，但是仍然無法對其飛行狀態(tài)進(jìn)行很好的控制，最終放棄了這個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃。

1924年，名為Oemichen多旋翼飛行器經(jīng)過上千次的飛行試驗(yàn)，獲得了相當(dāng)高的穩(wěn)定性和可控性。1924年4月14日飛行試驗(yàn)，旋翼機(jī)首次飛行高度達(dá)到了360米，而后的三天試驗(yàn)當(dāng)中，飛行器的高度達(dá)到了525米。飛行距離超過1公里，同時(shí)在7分40秒內(nèi)完成了1公里的閉路飛行。

1956年，名叫Convertawing的人制造了一架螺旋槳直徑上超過19英尺的多旋翼飛行器，動(dòng)力由兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)提供，機(jī)翼產(chǎn)生前飛升力，改變每組旋翼拉力來實(shí)現(xiàn)飛行控制，盡管Convertawings多旋翼飛行器試飛很成功，但很可惜的是由于多種原因，研究人員最終放棄了這個(gè)項(xiàng)目。

這一時(shí)期設(shè)計(jì)出的載人多旋翼飛行器，雖然可以進(jìn)行垂直起降的飛行。但是由于原型機(jī)前期表現(xiàn)欠佳，后期的穩(wěn)定性較差，多旋翼飛行器的實(shí)用性沒有被推廣起來，導(dǎo)致了多旋翼飛行器的發(fā)展幾乎處于停滯的狀態(tài)。

2 現(xiàn)階段多旋翼飛行器的研究狀況

在此后的數(shù)十年中，多旋翼飛行器沒有大的進(jìn)展。然而，近十幾年來，多旋翼飛行器又引起了人們極大的興趣，隨著多旋翼飛行器的動(dòng)力能源采用電動(dòng)，碳纖材料以及飛行控制理論等技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展[7]，多旋翼飛行器的發(fā)展帶來了前所未有的契機(jī)，很多學(xué)術(shù)論文不斷發(fā)表，飛行器的結(jié)構(gòu)和性能也得到了極大的優(yōu)化。與此同時(shí)，多旋翼飛行器向微小型和大型兩個(gè)方面發(fā)展。

蔣介石早期對于黨義的闡釋和宣導(dǎo)較多依賴和借鑒黨內(nèi)元老及幕僚的相關(guān)著述，后期逐步將自己的主張融入其中。?對蔣介石影響較大的黨內(nèi)元老也大多偏重傳統(tǒng)，現(xiàn)代知識不足。據(jù)王世杰1940年4月29日日記載:“本黨老同志對于孫中山先生主義，大多一知半解，此為最難補(bǔ)救之缺憾。孫中山先生政治與經(jīng)濟(jì)主張，系折衷西洋諸國制度與其晚近學(xué)說;本黨年老諸同志，大都未受完全之現(xiàn)代教育，而尤不直接研讀西書，故于孫先生之主張往往不能徹底了解。今晨黨中某同志，在國民政府作紀(jì)念周，講民權(quán)主義，其議論缺乏政治常識，令人對于三民主義之前途，有無限憂慮。”?

2.1 微小型多旋翼飛行器

對于飛行器本身的研究而言，主要是飛行器控制方法改進(jìn)以及特定控制方案實(shí)行，主要的研究方向有：慣導(dǎo)、視覺的方法控制等。在這方面做的最多的是賓夕法尼亞大學(xué)、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院和佐治亞理工大學(xué)的研究人員[8-9]。

OS4是瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院開發(fā)的小型電動(dòng)多旋翼飛行器，其研究的主要目的是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制算法，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外完全自主飛行。該項(xiàng)目用多種算法實(shí)現(xiàn)了飛行器姿態(tài)控制。2006用慣導(dǎo)的方法在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了自主懸停控制[2]。

HMX4是賓夕法尼亞大學(xué)的一個(gè)項(xiàng)目，其設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器不僅實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的飛行控制；同時(shí)也進(jìn)行了針對四旋翼飛行器的全方面應(yīng)用研究。整個(gè)機(jī)構(gòu)76cm，質(zhì)量約為700g，機(jī)架基部有5個(gè)涂有顏色的標(biāo)志，采用地面攝像頭對彩色標(biāo)示物進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，測量其位置與面積，通過視覺導(dǎo)航方法獲取四軸飛行器的姿態(tài)和位置狀態(tài)，角速率信息通過機(jī)體安裝的三軸陀螺儀測量獲取，用以實(shí)現(xiàn)飛行器的姿態(tài)控制[2]。

在佐治亞理工大學(xué)為其所承擔(dān)的探測火星項(xiàng)目時(shí)，設(shè)計(jì)和研發(fā)了計(jì)算機(jī)輔助四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)名為GTMAR[2]。它能全自主起降，并折疊。

微型多旋翼飛行器始于美國軍方無人機(jī)的項(xiàng)目，由于技術(shù)限制，把其作為獨(dú)立項(xiàng)目分離出來。斯坦福大學(xué)的研究小組在NASA的資助下，開發(fā)了名為Mesicopter的微型多旋翼飛行器。它尺寸僅有一個(gè)硬幣大小，微電機(jī)驅(qū)動(dòng)，旋翼直徑3mm，如圖2所示。

圖2 Mesicopter微小型四多旋翼飛行器

2.2 大型多旋翼飛行器研究

多旋翼飛行器在小型成果的同時(shí)，大型多旋翼飛行器研發(fā)也取得了成功。德國的E-vovo公司研發(fā)一款多多旋翼飛行器VC200，主體采用碳纖維復(fù)合材料，具有18個(gè)電機(jī)和旋翼，目前飛行器采用了6組電池供電，每組電池為3臺(tái)電動(dòng)機(jī)供電，這些電能完全可以維持20分鐘左右的飛行。如圖3所示。

圖3 VC200多旋翼飛行器

軍用方面，美國軍方開發(fā)了一種大型的無人多旋翼飛行器，旋翼系統(tǒng)由8個(gè)單獨(dú)的旋翼構(gòu)成，并由此產(chǎn)生飛行所需要的動(dòng)力，最高飛行時(shí)速240km/h。如圖4所示。

圖4 黑騎士多旋翼飛行器

2.3 多旋翼飛行器商業(yè)化應(yīng)用

德國Microdrones、美國DragonFlyer、法國AR.Drone這三家公司在多旋翼飛行器商業(yè)化應(yīng)用的過程當(dāng)中取得了很大的成功。

MD4-200是德國microdrones公司研發(fā)的微型多旋翼飛行器，機(jī)體的大部分結(jié)構(gòu)由碳纖制造，由于材料的選定使得多旋翼飛行器在重量和強(qiáng)度方面存在更優(yōu)異的表現(xiàn)，同時(shí)使其具備了抗電磁干擾的能力。在電量不足和無線信息丟失的情況下，飛行器可以自主降落。因裝備了多種高精度傳感器和卓越的控制算法，使其操控變得非常的簡單。MD4-200在飛行的同時(shí)可以顯示飛行狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)。

DragonFlyer是Dragonfly Innovation Inc.設(shè)計(jì)的一種采用碳纖維螺旋槳的多旋翼飛行器，由四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，自帶平衡、定點(diǎn)懸浮功能。機(jī)體下方安裝高性能處理器，可以在運(yùn)行代碼的同時(shí)接收傳感器輸出的信息并加以處理。Dragonfly帶有開放式通訊應(yīng)用接口，適應(yīng)于科研機(jī)構(gòu)或者大學(xué)的二次科研開發(fā)。

法國Parrot公司研發(fā)了一款多旋翼飛行器AR.Drone，有四個(gè)獨(dú)立旋翼，控制人員可以通過外置設(shè)備中的軟件對其進(jìn)行飛行控制操作。飛行器基于WiFi信號，因此操控的距離可以達(dá)到50米，并且裝配了重力感應(yīng)裝置、陀螺儀、機(jī)械控制芯片等裝置。智能飛行技術(shù)可以糾正環(huán)境誤差，使得可以平穩(wěn)的飛行。

這三款多旋翼飛行器自上市以來，被廣泛用于航空攝影、監(jiān)視、消防救災(zāi)、等眾多領(lǐng)域。

3 未來多旋翼飛行器發(fā)展趨勢

3.1 發(fā)展現(xiàn)狀

目前多旋翼飛行器在設(shè)計(jì)、研發(fā)、試驗(yàn)各個(gè)方面都取得了很大的進(jìn)展，并且得到了廣泛的應(yīng)用。但多數(shù)飛行器的飛行控制設(shè)計(jì)只設(shè)定在特定環(huán)境下。離真正的多功能多旋翼飛行器還是存在一定差距。必須提高其各方面的技術(shù)能力，才能發(fā)揮最佳效果。

現(xiàn)階段多旋翼飛行器的關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)可分為總體設(shè)計(jì)優(yōu)化、動(dòng)力裝置、數(shù)學(xué)模型建立、飛行控制、定位導(dǎo)航與通信這五個(gè)方面。

（1）總體設(shè)計(jì)優(yōu)化：輕、小、快、低碳環(huán)保。

（2）動(dòng)力裝置：旋翼、發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、機(jī)載電池。

（3）數(shù)學(xué)模型建立：同時(shí)考慮復(fù)雜環(huán)境對飛行器本身的影響。

（4）飛行控制：由于變量多、非線性等種種因素，使得飛控設(shè)計(jì)變得十分復(fù)雜。

（5）定位、導(dǎo)航與通信：在可靠穩(wěn)定的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多個(gè)協(xié)同控制技術(shù)，并且加強(qiáng)其抗干擾的能力。

3.2 發(fā)展前景

（1）隨著針對多旋翼飛行器相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步研究，其技術(shù)會(huì)逐步成熟。任務(wù)規(guī)劃、飛控、導(dǎo)航裝置、通信等子系統(tǒng)將逐步完善，同時(shí)具備自主起降和抗干擾穩(wěn)定飛行的特性，最終的目的是填補(bǔ)目前國際上范圍內(nèi)偵查手段的空白。

（2）多旋翼飛行器在將來會(huì)達(dá)到MAV的最低要求。隨著航空理論及技術(shù)的發(fā)展，多旋翼飛行器必然會(huì)取得重大進(jìn)展。它將會(huì)成為一個(gè)集成多種系統(tǒng)的高級復(fù)雜系統(tǒng)，并具有隱身和信息傳輸?shù)哪芰Α?/p>

（3）多機(jī)編隊(duì)協(xié)調(diào)飛行與作戰(zhàn)化應(yīng)用將會(huì)更加完善。在未來的戰(zhàn)中，對目標(biāo)進(jìn)行干擾并最終對其攻擊是微小型多旋翼飛行器的任務(wù)之一。編隊(duì)協(xié)調(diào)飛行更是完成任務(wù)和突防的重要手段。

4 結(jié)束語

隨著關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，以及在軍事和民用的應(yīng)用前景，多旋翼飛行器會(huì)逐步向高效、多功能化方向發(fā)展。并且四多旋翼飛行器的研究涉及多個(gè)領(lǐng)域的理論與技術(shù)，所以它的研究在解決自身問題的同時(shí)，也推動(dòng)了其他領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，提供了試驗(yàn)方法，豐富了理論依據(jù)，同時(shí)也為未來進(jìn)一步研究多旋翼飛行器打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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