淺談四旋翼飛行器的技術發展方向

摘 要：四旋翼飛行器是多旋翼飛行器中結構和控制系統最為簡單、應用最廣的一種飛行器。其穩定性好、靈活性好，具有多種飛行姿態。通過闡述四旋翼飛行器的發展現狀，組織結構、用途、技術特點等內容，對四旋翼飛行器作以介紹，同時對其未來的用途和技術發展方向做出說明。

關鍵詞：四旋翼飛行器；結構組成；用途；發展方向

引言

四旋翼飛行器，是一種具有四個螺旋槳的飛行器并且四個螺旋槳呈十字形交叉結構，相對的螺旋槳旋轉方向相同，兩組螺旋槳的旋轉方向不同。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直起降機，因此非常適合靜態和準靜態條件下飛行。四旋翼飛行器隸屬于多旋翼飛行器。相對于直升機，其穩定性好、靈活性好，但控制系統復雜。相對于固定翼飛行器其具有適應環境能力強，可以多種姿態飛行，如懸停、前飛、側飛和倒飛等。雖然國際上對四旋翼無人機的研究已經取得了豐碩的成果，并已將研究重點轉入智能飛行，并投入商業應用。但是目前國內的研究較少，起步也比較晚。國內部分高校對四旋翼飛行器現在都開展了深入研究，利用現代控制技術和科學技術，實現了定位導航、懸停等功能。

1 四旋翼飛行器發展現狀

近年來，隨著傳感器、驅動器、處理器以及能源供給等在技術方面有了突破性的發展，四旋翼飛行器的開發和研制也掀起熱潮。在短時間內就吸引了許多研究者的注意，并很快成為當今國際上一個新的研究熱點之一。

2 四旋翼飛行器結構組成

四旋翼飛行器由四組電機和螺旋槳作為飛行的直接動力源，對稱分布在機架懸臂的末端，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結構和半徑都相同，相對電機為一組，螺旋槳旋轉方向相同；兩組螺旋槳旋轉相反。支架中間安放飛行控制板、電池、電調和功能模塊。

3 用途

四旋翼飛行器因其垂直起降、空中懸停、大容量數據傳輸能力、使用維護簡便、使用維護成本低、無需起飛場地等特點，其用途廣泛，涉及領域多，通過調研目前的四旋翼飛行器市場，總結幾類用途如下：

軍隊應用：叢林的監視和偵察、戰術偵察和瞄準、排爆、反海盜、邊防監測、空中偵察、巡邏攻擊機等。

警察應用：人質解救和人員搜救、嫌犯和失蹤人口查找、交通和人群控制、情報和證據收集、處理突發事件等。

政府應用：森林防火、國土監管、氣象災害、地質災害、城市規劃、測繪、國土資源勘探、反恐、病蟲害防治、防汛抗旱、海事監測等。

工業應用：電力巡線、電力架線、礦產勘探、氣體泄漏檢測、建筑工地的計劃和監視、場地和基礎設施安全等。

商業應用：物流、餐飲服務、旅游、保險行業、新聞和廣告、攝影、攝像、三維測繪等。

四旋翼飛行器未來的研發方向包括：農用多旋翼無人機；多旋翼無人偵察機；多旋翼巡邏攻擊機；艦載多旋翼偵察機等。

4 技術分析

四旋翼飛行器的技術難點主要集中在控制技術上，其主要體現在三個方面：

第一，四旋翼無人飛行器是個欠驅動系統，其控制設計比一般全驅動系統要難的多。此外，它還具有多變量、非線性、強耦合等特性，這使得飛行控制系統的設計變得非常困難。比如飛行器在轉彎或橫向運動時，飛行器傾斜。此時升力在水平方向產生分力，垂直方向上的分力減小，如何控制保持飛行器在垂直方向上高度不變。

第二，四旋翼飛行器的自穩控制。飛行器在飛行過程中同時受到多種物理效應的作用，比如受到氣流等外部環境的干擾。操縱者很難及時進行調整，這需要飛行控制系統自動進行相應的調整。另外，當四旋翼飛行器的負載改變時，其質量也會發生變化。例如噴灑農藥的農用四旋翼無人飛行器，它在實施作業的飛行過程中由于農藥不斷的消耗，飛行器的重量是在不斷變化的。如何保持飛行器在高度方向上不發生改變。這些不確定性將大大增加了控制系統設計的難度。

第三，由于四旋翼飛行器有效載荷較小，難以搭載較多的傳感器，對四旋翼無人飛行器進行狀態測量是比較困難的，精度也不好；這對系統的控制穩定有很大的影響，大大限制了四旋翼飛行器的發展。

5 技術發展方向

5.1 智能傳感器技術

智能傳感器帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結合的產物。與一般傳感器相比，智能傳感器具有以下特點：通過軟件技術可實現高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的編程自動化能力；功能多樣化；高可靠性和高穩定性。飛行器戰場上實際應用，需要攜帶電視攝像機、紅外、微光等各種超輕重量的傳感器，其感知系統由多個傳感器集合而成，采集的信息需要計算機進行處理，使用智能傳感器就可以將信息分散處理，從而降低成本。采用智能傳感器可進一步提升飛行器的性能，提高飛行器的智能水平。因而傳感器智能化是傳感器技術發展的重要方向。

5.2 自主控制技術

條件不確定的前提下，將最優化求解問題近實時或者實時的予以解決，是自主控制目前面臨的最大挑戰。而高智能化以及高自主控制是未來四旋翼飛行器的發展方向。但是就目前四旋翼飛行器的技術水平而言，智能化以及自主控制化技術都還處于發展階段，仍舊不成熟。而想要在各類環境中充分發揮微小型無人機的優勢作用，自主飛行功能的實現是必須的。未來的發展要求中，四旋翼飛行器必須能夠依照設定的航路自主完成任務，并能夠依照形勢，自主的控制決策，以原有任務、計劃為基礎，完成既有使命，這就要求飛行器具備一定的復雜問題處理能力，能夠在不確定性的條件中自主決策。飛行器的自主控制的核心技術便是人工智能，人工智能技術水平的高低直接決定了飛行器的自主控制水平。而在這一問題上，仿生感知、仿生控制成為了自主控制技術發展的轉折點。

5.3 多機編隊協同控制技術

在任務的執行過程中，飛行器由于各類主客觀原因會有所損失。若僅僅只有單飛行器執行任務，那么一旦出現突發情況，飛行器不得不脫離任務，致使任務失敗。但是若執行任務的飛行器有多個，以編隊的方式執行任務，那么出現單個飛行器脫離任務，只會影響任務完成度。無人機在編隊飛行中，通過共享信息可以隨時變化隊形，并自主靈活的應對突發事件，另外還可以在隊伍中編入備用飛行器，以保證任務的執行程度。在戰場中，任務的復雜性、多變性較高，因而這種冗余度、可靠性可以確保任務更好地完成，編隊飛行的突出特點便在此。飛行器的單獨荷載量有限，因此單個飛行器執行任務的困難度較高，而編隊協同的方式可以有效提高飛行器應對突發事件的能力，提高任務的成功率，在干擾任務以及偵查任務中發揮巨大的優勢。但是對飛行器進行編隊需要建立在完善的分布控制技術之上的，因此必須予以深入研究。

6 結束語

文章介紹了四旋翼飛行器的組成結構、用途和未來技術發展方向等，對四旋翼飛行器有了概括性的認識。目前，市場上絕大部分的多旋翼飛行器產品都是用來航拍、航測，只有小部分產品應用于農業噴灑和軍事偵察，但是隨著對四旋翼、甚至多旋翼飛行器的研究與探索，將會有更多的用途體現出來。

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