四旋翼飛行器的發(fā)展與應用

宋洪達 郝桂麗

摘 要：本文介紹了四旋翼飛行器的發(fā)展和四旋翼飛行器的基本原理，研究了四旋翼在航拍攝影、精確農(nóng)業(yè)、電力巡檢、快遞運輸?shù)阮I域的應用方法以及存在問題，由此指出了四旋翼飛行器未來的發(fā)展方向。

關鍵詞：四旋翼；應用

四旋翼飛行器是一種能夠垂直起降、自主懸停的多旋翼飛行器，其研制涉及動力與能源、控制與導航、微機電技術和傳感器技術等多個專業(yè)技術領域，因此可以作為一個優(yōu)秀的交叉學科科研實驗平臺，并在航拍攝影、精確農(nóng)業(yè)、電力巡檢、物流運輸?shù)阮I域得到廣泛應用。

1907 年，Breguet 兄弟設計制造了第一架四旋翼飛行器，但是飛行狀態(tài)非常不穩(wěn)定。之后Crutiss-Wright在20世紀50年代研制了Crutiss-Wright VZ7四旋翼，雖然解決了飛行穩(wěn)定性的問題，但是因其速度和高度達不到使用要求而擱淺。在20世紀中后期，四旋翼飛行器因其穩(wěn)定性、可控性和實用性較差，發(fā)展幾乎處于停滯的狀態(tài)[1]。

隨著電池技術、微機電、微慣導以及飛行控制等技術的進步，四旋翼飛行器得到了迅速發(fā)展，在民用以及軍事領域得到了廣泛的關注與應用，更是為各大研究機構所青睞[2]。在NASA支持下，斯坦福大學設計出一款微型四旋翼飛行器Mesicopter，該項目的目標是實現(xiàn)自主飛行和多飛行器協(xié)同完成具體任務。麻省理工學院深入研究了無人機的集群控制技術，并成立無人機集群健康管理計劃，該項目已經(jīng)實現(xiàn)了包括多架四旋翼飛行器單位對目標進行連續(xù)搜索、復雜環(huán)境下對動態(tài)目標實施跟蹤、多單位協(xié)同合作編隊飛行在內的多項實驗。賓夕法尼亞大學的Mellinger等人在四旋翼飛行器上安裝了一個抓取裝置，用于抓取并搬運物體，應用位姿控制器來進行位置補償。

1 組成及原理

四旋翼飛行器一般可分為：能源模塊、動力模塊、通信模塊、控制導航模塊。能源模塊為飛行器提供動力能源；動力模塊由旋翼、驅動裝置組成，為飛行器提供升力；通信模塊一般由地面站、遙控器、無線發(fā)射和無線接收裝置組成；控制導航模塊由控制器、傳感器組成，傳感器用來測量飛行器的實時姿態(tài)和位置信息，控制器再根據(jù)各個傳感器反饋的狀態(tài)信息，通過數(shù)據(jù)融合計算后生成飛行控制指令；載荷模塊則根據(jù)應用需求而不同，如相機、紅外等。

一般地，四旋翼飛行器改變電機轉速，進而調整螺旋槳產(chǎn)生的升力來實現(xiàn)飛行器六自由度的姿態(tài)運動，這種設計理念使飛行器結構和動力學特性得到了大大的簡化。四旋翼的相對兩槳逆時針旋轉，另一相對兩槳順時針旋轉，這種反向對稱結構代替了傳統(tǒng)直升機尾旋翼。四旋翼飛行器可分為四種基本的控制方式，即垂直控制、橫滾控制、俯仰控制、偏航控制。假設四旋翼飛行器設計為“X”型，四個電機起始轉速相同；那么，同時增加或減小四個電機轉速，可實現(xiàn)爬升、下降和懸停；增加相鄰兩槳電機轉速，保持另一相鄰兩槳電機轉速不變，可實現(xiàn)左右或前后運動；增加一相對兩槳電機轉速，減小另一相對兩槳電機轉速，可借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩實現(xiàn)飛行器的偏航運動。

2 應用研究

近年來，四旋翼飛行器不只作為一個流行的平臺在各種科學研究中廣泛應用，在航拍、精確農(nóng)業(yè)、電力線巡查、精確農(nóng)業(yè)、快遞物流等多個領域，四旋翼飛行器也都發(fā)揮了重要的作用。

最初四旋翼的興起就源于其在航拍領域的有效應用，也是四旋翼飛行器應用最廣泛、最成熟的領域。航拍主要是指四旋翼飛行器掛載高清相機或攝像機進行低空攝影，可用于影視拍攝、圖像采集等任務。大疆DJI將先前無人機直升機的飛行控制系統(tǒng)改進后，應用到四旋翼飛行器上，解決了之前四旋翼飛行器存在的穩(wěn)定性差、難操作的問題，由此推出PHANTOM系列四旋翼飛行器，其最新的PHANTOM4還增加了自動視覺避障功能。四旋翼飛行器在航拍的快速發(fā)展，引起全球范圍的無人機熱潮，推動了無人機的民用化進程。現(xiàn)階段，四旋翼飛行器在航拍領域的應用越來越細化細分，主要面臨監(jiān)管缺失、航時較短等問題。

在精確農(nóng)業(yè)領域，四旋翼飛行器主要應用于兩個方面：一是農(nóng)業(yè)信息的精準獲取[3]，四旋翼飛行器可通過安裝不同的傳感器來獲取田間地形地貌環(huán)境、病蟲草害等信息，低空作業(yè)不受天氣影響，且不會對農(nóng)田造成采樣性破壞，利于獲得準確與清晰的農(nóng)業(yè)信息，有著良好的發(fā)展前景。二是農(nóng)藥噴灑植保，四旋翼飛行器掛載藥液進行低空噴灑作業(yè)，可通過旋翼產(chǎn)生的向下氣流增加藥霧對作物從的穿透，提高防治效果，也減小了人工作業(yè)的危險，此方法在國內外都得到廣泛的應用，國內的大疆、極飛和零度智控都推出了面向農(nóng)業(yè)植保的多旋翼飛行器。雖然四旋翼飛行器在精確農(nóng)業(yè)領域應用潛力巨大，但也面臨負載小、航時短等問題。

在電力巡檢領域，四旋翼飛行器的作用逐漸得到顯現(xiàn)，可搭載照相機、攝像機、紅外熱像儀、紫外成像儀等用于檢測線路金具松脫、缺失和磨損，以及絕緣子劣化、破損或導地線斷股等情況，成為輸電線巡檢系統(tǒng)的重要組成部分。國家電網(wǎng)供電公司已配備Q690四旋翼飛行器用于負責配電網(wǎng)的故障巡查工作。在巡視人員無法確定架空導線損傷程度的情況下，四旋翼飛行器成功地從空中拍攝到了故障點，清晰顯示了導線斷股數(shù)量，為迅速確定搶修方案、有效縮短搶修時間提供了支持。

在快遞物流領域，多旋翼飛行器的應用也是前景無限。目前，亞馬遜正在著手構建一個名為“Amazon Prime Air”無人機快遞物流系統(tǒng)，目的是通過多旋翼飛行器將用戶購買的商品送貨上門。國內的京東也專門成立無人機部門，設計研發(fā)出多款多旋翼物流無人機，并在安徽、陜西等地進行了無人機快遞投遞的測試，在可預期的幾年內有望取代人力投遞。與此同時，順豐速運也在進行多旋翼飛行器的快遞測試，其目標主要在于實現(xiàn)包裹往人力配送較難、較慢的偏遠地區(qū)的投遞。同時，無人機的包裹投遞也會引出航空監(jiān)管、安全著落等一系列問題。

3 展望

隨著未來技術發(fā)展，四旋翼飛行器在整體性能上將有顯著提升，在多個領域的應用將會繼續(xù)深入，并應用于新的領域，且趨向于規(guī)范化與規(guī)模化發(fā)展。

參考文獻 ：

[1]王鋒，吳江，周國慶，等.多旋翼飛行器發(fā)展概況研究[J].科技視界， 2015 （13）： 6-7.

[2]聶博文，馬宏緒，王劍，等.微小型四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀與關鍵技術[J].電光與控制，2007，14（6）：113-117.

[3]姬江濤，扈菲菲，賀智濤，等.四旋翼無人機在農(nóng)田信息獲取中的應用[J].農(nóng)機化研究，2013，35（2）：1-4.