多旋翼無人機的特點及應用

陳友鵬　李雷　賴劉生　陳進穩　蔣超

摘 要：本文根據無人機特性介紹了不同類型的無人機并將其優缺點進行了對比。講述了多旋翼無人機的結構組成要素并且詳細地介紹了它在不同場景中的用途。最后，根據多旋翼無人機整體的對本文作出了相應的總結。

關鍵詞：多旋翼無人機 無人機應用 無人駕駛技術

Features and Applications of Multi-rotor UAV

Chen Youpeng Li Lei Lai Liusheng Chen Jinwen Jiang Chao

Abstract：This article introduces different types of drones according to their characteristics and compares their advantages and disadvantages. It describes the structural elements of the multi-rotor UAV and introduces its use in different scenarios in detail. Finally， based on the overall multi-rotor UAV， a corresponding summary is made.

Key words：multi-rotor UAV， UAV application， unmanned driving technology

1 引言

飛行曾經是鳥類獨有的一種生存能力之一。然而，自從人類發明了飛行器以來，這種“曾經”被打破了，飛行不再為鳥類生物所獨有了，人類也可以借助外物展示飛行技巧。最近20多年來，隨著無人駕駛技術在飛機領域中不斷地發展，人類又迎來了飛行史上的一個巨大突破——即無人機技術[1]。無人機技術是一種以無線電遙控或由自身程序控制為主的不載人飛機技術。根據飛行平臺的不同，無人機可分為多旋翼無人機，固定翼無人機，直升無人機，和其他無人機。為了更好地認識和理解這種新的技術，本文將根據多旋翼無人機特性，淺談一下對多旋翼無人機的認識。

2 多旋翼無人機的優缺點及其特性

無人機根據飛行平臺的不同可分為多旋翼無人機，固定翼無人機，直升無人機，和其他類型無人機[2]。固定翼無人機類似于普通民航的客機，其特點是載重量大，續航時間長，而且制作成本低，技術要求少。然而固定翼無人機受場地的局限性很大，無法有效的懸停，因此很難應用于民用無人機領域。直升無人機類似于直升機，受場地影響較少，可以有效懸停，并且載荷和航程也比較好，然而直升無人機具有結構性的缺陷，故障頻發，而無人機又無法像載人直升機一樣有專業人員進行有效控制，導致它十分脆弱，難以操縱。而多旋翼無人機不僅可以自由懸停，而且成本也不高，可以實現有效控制。然而，最大的缺點是其載荷小，續航時間多，使用普通的鋰電池通常一次充滿電耗費一小時時間僅能滿足半小時的飛行任務，這是最大的短板。即便如此，綜合以上多方面的因素考慮，多旋翼無人機仍然是目前民用無人機的首選。

3 多旋翼無人機系統的組成要素

多旋翼無人機是一種無人駕駛可以自主飛行的飛行器，系統主要由機架機身、動力系統、飛行控制系統、遙控系統、輔助設備系統五部分組成。

1.機架機身指的是是無人機本身的組成材料。無人機的的材料一般選用輕質高強的材質為主。如樹脂，玻璃纖維，鋁合金等。無人機的支架數量指的是無人機旋翼數量。如三支架的無人機即為三旋翼無人機。一個好的無人機的設計需要無人機的各個元器件巧妙搭配，安裝合理，使得整體穩定，利于飛行。

2.動力系統指的是無人機中驅使無人機進行飛行提供能源的部件。常見的有油動和電動二種設計。目前主流的設計方案皆是以電動為主。電動無人機有電機，電調和電池三部分。次啊用的能源基本上以鋰電池為主的供能方案。由于無人機自重太大不利于飛行，所以通常鋰電池不敢做的太大。一般500g的鋰電池充能一小時，可以為無人機提供半小時的飛行動力。

3.飛控系統指的是無人機的飛行控制系統[3]。在無人機自主飛行這段時間，將由飛控軟件提供對無人機飛行的控制操作，以保障整個無人機飛行過程中定位導航，數據記錄以及飛行安全。飛控系統包括了飛控軟件，主控芯片以及飛行控制器，加速器，氣壓計，傳感器以及地磁儀等等用于定位，飛行，數據記錄以及飛行控制的設備。飛控系統是無人機中最重要的一環，決定了無人機飛行的質量。

4.遙控系統是無人機中用于遙控的設備。主要由遙控器、接收器、解碼器、伺服系統組成。這些配置使得當無人機需要人為進行操作的時候，給予了相應的人工操作權限。對無人機進行遠程遙控的方法如下：通過遙控器發射信號給無人機上的接收器。接收器接收到信號以后會進行解碼，隨后，伺服系統將會根據解碼的內容執行相應的操作。

5. 輔助設備系統是無人機核心設備以外的的其他設備。如云臺，相機，圖像傳輸系統。云臺在無人機上的作用是十分重要的[4]，它有三個自由度。無人機在飛行的時候難免會出現顛簸和抖動，當抖動發生的時候，云臺會根據抖動的方向配合陀螺儀施加一個相反的作用力。使得無人機保持平衡，不會顛簸。這對無人機飛行攝影來說意義重大。只有滿足了這個前提，無人機才能實現航拍的功能。有了相機和無線圖像傳輸系統的配合，無人機就可以在飛行中進行拍攝的作業，并把圖像實時傳送給遠程接受圖像的電腦。

4 多旋翼無人機的應用

多旋翼無人機可以說是無人機應用的領域的大熱門[5]。在個人消費領域，個人可以通過使用多旋翼無人機進行個人攝影，并且無人機的使用可以讓拍出來的照片達到意想不到的角度，例如拍攝幾百層的高塔或者大樓，去海邊拍攝長長的海岸線和海浪，甚至夜間潛行到地下隧道深處。只有使用無人機才可以自由通行和飛躍各種不同的角度和位置來獲取所需的圖片。無人機另外一個大市場是無人機類的玩具。這些科技感十足的小玩意也成為孩子們的新寵，通常一個不到千元的價格，就可以擁有一個自動追蹤自動返航，自由拍攝的“大黃蜂”，這些產品不僅豐富了孩子們的想象力，滿足了他們對當今“時髦”科技的好奇心，并且激期了他們在探索科學的興趣，因此深受學齡兒童的喜愛。在工程應用領域，多旋翼無人機作用更加強大。以前，人在森林中行走，對于煙頭，火柴等物件都要額外注意。這些小物件很可能一不小心就會帶來牢獄之災。往往天干低燥的時候，一點點小小的火苗就會引來森林大火。如今，隨著無人機的發展，森林火災已經不多見了，并且火宅產生的損失也會盡可能地降至最低。因為如遇森林火宅，無人機將會代替人類深入森林重地進行高空滅火，他們舉辦嫻熟的技術（專業的救火程序），精湛的技藝（高性能芯片）將會在火宅中大顯身手。并且再也不用擔心救援人員出現“生命危險”了。種植農作物，多旋翼無人機也是一把好手，它可以進行農藥高空噴撒，而且可以完全按照要求均勻噴射，不必擔心少噴或者多噴的情況發生。在文體娛樂中，無人機還可以同步實時轉播節目，如一些體育賽事，激烈碰撞的體育賽事往往人類攝影師無法第一時間捕捉精彩鏡頭，然而通過多布置多個不同的無人機在不同的角度同步拍攝，總是能查漏補缺，稍加處理，總是能捕捉到許多細節，把握經常瞬間。在地圖測繪方面，無人機顯然更強，與它相比，又有誰能觀察與拍攝出最真實的地理地貌，并把它按照一定的比例轉化成地圖做的更出色呢？在軍事中，無人機通常可以晝伏夜出，執行偵察，破壞和電子對抗的任務[6]。甚至無人機的出現，就是源于一個軍事上的天才設想，誰能想到戰場上無人機突然襲擊敵方側翼，投擲大量彈藥毀壞重要軍事據點，即便不幸喪命，損失也不過是一些“廢鐵”罷了，這個偉大的創意正是無人機被發明出來使用的源動力[7]。如果無人機在戰爭中得以大量使用，未來戰爭的格局都將被改變。

5 總結

無人機是當今社會一個大熱門。不僅僅是因為其功能強大，可以實現功能，滿足社會的需求，更是因為它替代的主體是“人”，所以可以深入險地，進行危險作業，而不用擔心安全問題出現人員損失，產生后顧之憂。多旋翼無人機由于其自由懸停，價格相對低廉，控制方便的特點，成為一般無人機的首選[8]。然而目前多旋翼無人機最大的缺點是續航的問題，如果這個問題能解決，無人機未來的市場必將大放光彩。

參考文獻：

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[3] 張合軍. 基于SCADE的無人機飛行控制系統軟件設計[D]. 南京航空航天大學，2007.

[4] 王琪，焦金戈. 多旋翼無人機發展與在通信領域中應用[J]. 互聯網天地，2019（5）.

[5] 車玉涵，劉富，康冰. 基于云臺相機的四旋翼無人機跟蹤控制系統[J]. 吉林大學學報（信息科學版），2019，37（03）：58-65.

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[7] 秦博，王蕾. 無人機發展綜述[J]. 飛航導彈，2002（08）：4-10.

[8] 馬鳴宇，董朝陽，馬思遷，等. 基于SO（3）的多四旋翼無人機編隊協同控制[J]. 控制理論與應用，2018，035（009）：1229-1238.