小型旋翼無人機技術綜述

黃鑄

摘 要：隨著現(xiàn)代電子信息技術和飛行自主控制技術的不斷發(fā)展，無人機這種原本主要應用于軍事的設備逐漸走進了普通消費者的視野之中，其中又以小型旋翼無人機最為普遍。小型旋翼無人機是無人機的一種，其是指通過無線電遙控，能夠垂直起降并且具有一定自主飛行能力的小型不載人飛行器。小型旋翼無人機在航空拍攝、農(nóng)業(yè)植保、電路巡線中得到了廣泛的應用，給人們的生產(chǎn)生活帶來了極大的便利。本文從小型旋翼無人機的概念講起，總結了小型旋翼無人機的分類、關鍵技術和發(fā)展，最后對小型旋翼無人機的未來做出一定的展望。

關鍵詞：旋翼無人機；小型；發(fā)展

中圖分類號：V279 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）10-0088-02

1 小型旋翼無人機概況

1.1 小型旋翼無人機簡介

小型旋翼無人機是一種具有旋翼結構，由無線電遙控的微機電系統(tǒng)集成的小型不載人飛行器。小型旋翼無人機能夠在飛行過程中實現(xiàn)垂直起降、自由懸停，具備自主飛行和著陸能力。小型旋翼無人機根據(jù)旋翼的數(shù)量，分為單旋翼無人機和多旋翼無人機。單旋翼無人機的結構類似于直升機，其特點是續(xù)航較為持久。而多旋翼無人機又分為三旋翼、四旋翼、六旋翼、八旋翼等，相對于單旋翼，多旋翼無人機更為靈活穩(wěn)定，載重能力更強，操作相對簡單，所以得到了更加廣泛的應用，見圖1。

通過搭載不同的設備，小型旋翼無人機可實現(xiàn)在各行業(yè)中的多種應用：搭載相機，可用于航空拍攝、電路巡線、高空監(jiān)控、電影拍攝等；搭載農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)設備，可用于農(nóng)業(yè)植保；搭載測繪儀器，可用于地理勘測、地圖繪制等；搭載救援物資，可用于人道主義救援及物資運送；搭載包裹和信件，可實現(xiàn)精準的無人快遞送貨。

1.2 小型旋翼無人機的發(fā)展和現(xiàn)狀

旋翼式飛機最早出現(xiàn)于20世紀初期，但在當時并沒有受到人們的重視，只是在軍事上有小規(guī)模的應用而已。在20世紀90年代后，隨著微機電系統(tǒng)的發(fā)展逐漸成熟，小型自動控制器成為現(xiàn)實，但由于單片機的運算速度有限，直到2005年，穩(wěn)定的小型旋翼無人機才被正式開發(fā)出來。隨后，小型旋翼無人機的開始進入人們的生活，隨著應用領域的拓寬，小型旋翼無人機的發(fā)展在2013年進入爆發(fā)期，國內(nèi)外的一大批創(chuàng)業(yè)公司和投資者瘋狂進入，市場規(guī)模越來越大。

目前，我國無人機發(fā)展迅猛，已經(jīng)成為了備受關注的新興產(chǎn)業(yè)。我國主要的無人機生產(chǎn)企業(yè)有深圳大疆創(chuàng)新、廣州億航智能、北京零度智控等。其中，深圳市大疆創(chuàng)新在技術上是小型旋翼無人機行業(yè)的領跑者，占有全球無人機市場的50%份額。現(xiàn)在，國內(nèi)注冊的無人機企業(yè)已近萬家，無人機的產(chǎn)值也高達40億，而其中消費級的航拍無人機占最大份額，以下是幾款小型旋翼無人機對比：

從表1中可以看出，小型旋翼無人機的市場主要以四旋翼無人機為主流，這是因為四旋翼操作簡便，穩(wěn)定性高且成本較低。其功能大多集中于航拍，并且這類產(chǎn)品已經(jīng)從高精尖的技術人員下探到了普通消費者，特殊用途（如植保，救援，運輸）的無人機品種較少且價格較高。受限于機載電池的體積和容量，小型旋翼無人機的續(xù)航普遍不高，都在半小時左右。

2 小型旋翼無人機的技術

2.1 主要技術

小型旋翼無人機的主要結構和各項技術決定了無人機的性能。小型旋翼無人機的組成如圖2所示。

2.1.1 機身

機身是飛行器的主體部分，位于旋翼無人機的中央。無人機的其他組件——電池、傳動系統(tǒng)、航空電子設備、傳感器等，根據(jù)重量對稱平衡原則均安裝在機身的不同位置上，如圖3所示。小型旋翼無人機的常用架構模式有X字模式和十字模式，X字模式的效率更高，因此高性能的小型旋翼無人機多采用X字型架構。小型旋翼無人機的機臂一般使用碳纖維圓管作為主要材料。碳纖維圓管的強度更高且不易變形，可以承受更大的外力。在機身材料的選擇上，通過玻璃纖維和樹脂的配合使用，機身重量大大減小同時機身強度有效提高，并使機身具有高耐熱性和耐腐蝕性，從而使無人機在各種環(huán)境下穩(wěn)定工作。

2.1.2 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)是產(chǎn)生動力并以一定方式傳遞動力使小型旋翼無人機產(chǎn)生移動的一套組件。傳動系統(tǒng)中主要包含了螺旋槳、電機、電子速度控制器和電池。電機是小型旋翼無人機的動力機構。在小型旋翼無人機中，通常使用無刷電機，這一類電機產(chǎn)生的噪聲低，對飛行干擾小且更為高效可靠。常見的旋翼無人機的多個電機對稱分布在各個軸上，并且同一條軸線上電機的旋轉方向相同，相鄰的電機旋轉方向相反，以抵消陀螺效應和動力扭矩，維持無人機的穩(wěn)定。電機與螺旋槳相連，控制螺旋槳的轉速和轉動方向，螺旋槳是直接與空氣作用產(chǎn)生升力的裝置。較大的螺旋槳產(chǎn)生的升力越大，但同時效率也越低。在飛行過程中，無人機通過電子速度控制器對飛行速度進行調(diào)整，將直流電池產(chǎn)生的電力轉化為可供無刷電機使用的三相交流電源。電池是小型旋翼無人機的供電裝置，給電機和機載電子設備供電，一般以高密度鋰電池為主。旋翼無人機通過電子速度控制器傳輸信號，調(diào)節(jié)電機轉速，帶動螺旋槳的轉動，最終實現(xiàn)無人機的懸停、升降、前進等飛行狀態(tài)的調(diào)整。

2.1.3 飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)是無人機完成操作者操控的既定任務或實時任務所必須的核心系統(tǒng)。飛行控制器由信號接收器、GPS、陀螺儀、電量顯示器、機載傳感器和機載計算機構成。信號接收器用于接受由遙控裝置發(fā)出的信號。GPS模塊包括GPS接收器和磁力計，再與陀螺儀配合組成慣性導航控制系統(tǒng)，搭載在小型旋翼無人機上可提供飛行器所處的經(jīng)緯度、高度、航跡方向和地速等信息。通過飛控系統(tǒng)各部分的協(xié)調(diào)運作，無人機可以實現(xiàn)多種飛行模式，如懸停、導航、跟隨等。機載計算機是飛控系統(tǒng)的中樞系統(tǒng)，負責對旋翼無人機在飛行過程中的狀態(tài)進行運算并計算出最優(yōu)的動作方案，指揮旋翼無人機的飛行。飛控系統(tǒng)獲得從機載接收機發(fā)出的PWM信號，隨后把該信號轉化成控制量，再經(jīng)過PID調(diào)節(jié)把輸出量輸送給各個電機來控制無人機的動作。飛控系統(tǒng)通過電子速度控制器調(diào)控電機的轉速，以此實現(xiàn)轉向操作，并調(diào)控外設設備。同時，飛控系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)終端的核心，會飛行過程中記錄無人機的飛行狀態(tài)、位置信息、任務情況和載荷數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娼K端。如果沒有飛控，無人機就會因為無法平衡安裝過程中零件不一致、各組成部分間不能相互配合等原因，而不能穩(wěn)定地飛行。

2.1.4 其他組成

小型旋翼無人機的其他主要組成還有遙控裝置、任務設備和通信模塊。對小型旋翼無人機的操控主要通過遙控裝置來實現(xiàn)，遙控裝置包括遙控器和接收器。接收器安裝在飛行器上，為一個標準的遙控無線接收單元。遙控器用于發(fā)出電子信號控制小型旋翼無人機飛行并接受飛行器反饋的飛行信息。任務設備直接體現(xiàn)小型旋翼無人機的特定功能，小型旋翼無人機應用于不同的領域時，會搭載不同的任務設備。數(shù)傳和圖傳是通信模塊的主要部件。數(shù)傳即以數(shù)字傳輸?shù)男问酵瓿娠w控系統(tǒng)和數(shù)傳終端間的數(shù)據(jù)信息交流，圖傳則是接受機載相機完成拍攝后的圖像傳輸。

2.2 主要問題

2.2.1 續(xù)航問題

小型旋翼無人機的續(xù)航時間短是目前旋翼無人機產(chǎn)品與市場需求的主要矛盾。一般的電池只能使小型旋翼無人機續(xù)航20分鐘左右。受到普通的鋰電池能量密度小、直流電機電功率太大的局限，在面對需要較長時間的工作，例如快遞運送、地理測繪時，將會遇到很多問題。在未來，如果續(xù)航時間能夠上升到兩小時左右，就能滿足絕大部分的作業(yè)要求。

2.2.2 飛行穩(wěn)定性

雖然小型旋翼無人機相比于固定翼無人機更為穩(wěn)定，但其工作的環(huán)境也更為惡劣。小型旋翼無人機最主要的特點是能夠自主懸停，因此對于穩(wěn)定性的要求更高。小型旋翼無人機常在高空中進行工作，當遇到強風、雨天等極端環(huán)境時，無人機的飛行會受到影響。影響無人機穩(wěn)定性的主要因素有：飛行過程中的幾何風阻，重心的位置，重量的分布，螺旋槳與傳動系統(tǒng)的匹配度（螺旋槳越輕反應越快）和無人機的軟硬件配置（飛控等）。在這些方面，小型旋翼無人機還需進一步優(yōu)化。

2.2.3 載重能力

小型旋翼無人機在將來會在快遞運送、人道救援中大規(guī)模使用。但是目前無人機的承載重量十分有限，大多數(shù)無人機只能搭載重量較小的攝像頭。小型旋翼無人機的載重能力受到自身重量及其動力的限制，市場上的小型旋翼無人機大多只能搭載較小的應用平臺，如小型攝像平臺。這一缺點直接導致了目前小型旋翼無人機應用不寬廣的局面。

3 小型旋翼無人機的未來發(fā)展

目前，小型旋翼無人機在民用市場的份額逐漸上升，在航拍等領域展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢，但同時，小型旋翼無人機仍處于不斷發(fā)展優(yōu)化的過程中。本文認為小型旋翼無人機將在續(xù)航能力、飛行穩(wěn)定性、載重能力、功能多樣化等方面進行突破。針對續(xù)航能力，目前主要提出了研制新型電池、應用混合動力、無線充電等設想。隨著續(xù)航能力的提升，小型旋翼無人機可以廣泛運用于對工作時長要求較高的地理勘測、管道巡線等作業(yè)中。針對穩(wěn)定性，可以優(yōu)化無人機的自主控制系統(tǒng)，使其在地圖測繪、高空監(jiān)控等高空作業(yè)中派上用場。針對載重能力，可以研究新型機身材料或是提高小型旋翼無人機的飛行動力，高載重的無人機將會被用于快遞運送和人道救援物資運送。總之，以小型旋翼無人機為代表的民用無人空中系統(tǒng)正在世界范圍內(nèi)掀起發(fā)展熱潮。盡管此類系統(tǒng)的使用在政策監(jiān)管方面仍面臨不少問題，但它在各方面的應用需求快速增長，有望在不久的將來成為閃耀的經(jīng)濟增長點。

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