多旋翼无人机的发展及应用

田宇 邹春海 周正伟 周晓东

在2010年之前，固定翼模型飞机和模型直升机是航拍和航模运动领域的主力军。但在近几年，因优良的操控性能，多旋翼飞行器异军突起，迅速成为航拍和航模运动领域的新星，并得到越来越多相关行业的关注。

当前，围绕多旋翼飞行器相关创意、技术、产品、应用和投资的新闻层出不穷，而随着产品的火爆，多旋翼技术的发展更是迅猛，已成为微小型无人机的主流。多旋翼为何在沉寂数十年之后迅速走红，在未来又有哪些新的发展趋势？本文将针对这些问题进行论述。

早期的多旋翼飞行器

人类总是在不断探索中进步。18世纪后期蒙哥费尔热气球的成功升空，开创了人类飞行的新时代。1903年世界上第一架重于空气、有动力、可控飞机的诞生，则拉开了人类近代航空发展史的序幕。1907年，法国Breguet兄弟制造了最早的四旋翼直升机，不过它只飞了几英尺高，且飞行稳定性很差、无法控制。1922年，美国人Dr.George de Bothezat试验了名叫Flying Octopus的四旋翼飞行器，其最大飞行高度有5米，留空时间2分45秒。但是该飞行器的稳定性依然不好，未能满足美国军方的要求。1956年，柯蒂斯-怀特公司为美国陆军设计了VZ-7四旋翼飞行器，并交付给军方两架原型机。虽然这款飞机的飞行相对稳定，却依然没有达到军方对飞行高度和速度的要求，故该计划没有进一步推进。此后50年过去了，尽管通过世界各国科学家的不断探索，四旋翼直升机在技术上有了一些进步，但还是不能满足军事方面的要求。

从20世纪初到20世纪中期，直升机的发展进入探索期，包括多旋翼在内的各种试验性机型相继问世。最终，单旋翼带尾桨式直升机成为至今最流行的形式。到20世纪后期，传统构型的直升机技术问题基本解决，进入了航空实用期。其应用领域不断扩展，数量迅速增加。而多旋翼构型则被慢慢冷落。

此后十几年，有关多旋翼直升机的技术都没有什么进展。究其原因，主要有3个问题：首先是系统本身不稳定，导致飞行员的负担太重；其次是发动机技术不能满足要求，油门反应速度慢；第三是其运动主要依赖于螺旋桨速度的及时改变，而这种方式不宜推广到大尺寸机型上。

多旋翼无人机的兴起

20世纪90年代后期，电子科技迅速兴起，其制造和加工精度也大幅提高，这使多旋翼飞行器的研发有了良好的技术保障。

多旋翼飞行器的快速发展首先归功于自动控制理论、多旋翼动力学模型、非线性估计算法、非线性控制算法和MEMS微机电产品的发展，特别是20世纪90年代末重量只有几克的MEMS器件被大规模生产。多旋翼系统所需要的陀螺、加速度计、压力传感器、GPS模块等技术都进入了成熟期。其次是电池技术取得了较大突破。1991年索尼公司发布了首个商用锂离子电池，使电池的储能能力提升了两三倍，为多旋翼飞行器的兴起提供了动力支持。第三则得益于磁性材料、电子控制和生产工艺的进步，微电机产品向着大转矩、小尺寸、高控制精度、低功耗、长寿命和低成本的趋势转型，微小型电机进入了发展快速期。

综上所述，在20世纪90年代，小型多旋翼无人机所需要的技术均已走向成熟，这就是它在2000年后大热的原因。2005年，越来越多的科研人员开始研究多旋翼飞行器，并尝试搭建试验平台、研发和使用多旋翼无人机。2012年初，大疆创新科技公司推出了“小精灵”一体机。因其飞行控制简单，初学者很快就能上手，而且价格也能被普通消费者接受，一时间搭载GoPro运动相机拍摄极限运动成为年轻人竞相追逐的时尚潮流。至此，多旋翼飞行器在火爆的航模消费市场中完成了自己的逆袭。

多旋翼无人机

的主要特点

我们知道传统直升机主旋翼的旋转力矩会使机身扭转。为了平衡这个力矩，直升机的尾部通常装有一个与主旋翼旋转方向相反的尾桨。而多旋翼飞行器的螺旋桨均匀分布在机体的四周并处于同一高度平面，且螺旋桨的结构和半径都相同。正是由于采用了这种对称式结构设计，因此各个螺旋桨之间的扭力矩相互抵消，为简化控制系统带来了便利。

多旋翼无人机可以完成复杂的空中飞行任务并搭载多种设备。它通常包含飞控导航系统、动力系统、飞行平台、地面站、任务系统和链路系统6部分。常见的多旋翼布局有四旋翼、六旋翼、八旋翼，也有超过十旋翼的。一般来说，旋翼数越多，能提供的升力越大。而且，一旦某个旋翼发生故障，通过关闭对称方向上的旋翼，多旋翼无人机还能稳定飞行。然而旋翼数越多，飞行器上所需要的设备越多，结构越复杂，因此需要综合考虑。

多旋翼无人机的动力源主要是锂聚合物电池。相比燃油发动机驱动，电机的机械噪声和震动小，但续航能力受到了一定的限制。此外，多旋翼机无人机还有以下几个特点。

（1）可垂直起降、悬停、侧飞、倒飞，飞行稳定，易于编队、协作完成任务；

（2）体积小、重量轻、噪声小、隐蔽性好，适合多平台、多空间使用；

（3）冗余度高、安全性好，旋翼数大于6的多旋翼飞行器自身有容错功能，在旋翼单一或成对出现故障时仍能安全降落；

（4）桨叶多采用固定螺距，易于制造，飞行危险性小；

（5）整体结构简单，相比传统主流直升机更易于维护、经济性较高。

多旋翼无人机

的飞行原理

为了实现对多旋翼无人机的姿态控制，必须对各旋翼的推力进行控制。叶素理论（Blade Element Theory）提出了两种可用的改变推力的方法：改变旋翼的倾角或转速。其中改变旋翼倾角虽然能够较快地得到响应，但使得飞行器的结构更加复杂；改变旋翼转速的方法实现起来更加简单，却有时间上的滞后，原因是电机不能瞬时改变转速。

本文介绍的是通过改变旋翼转速控制多旋翼无人机的技术。下面以四旋翼为例，说明多旋翼无人机的飞行原理。如下图所示，初始时水平方向的两个旋翼逆时针旋转，垂直方向的两个旋翼顺时针旋转，该四旋翼飞行器可通过4个电机的转速调节实现升力变化，从而改变飞行姿态和位置。

当4个旋翼转速相同，所提供的升力正好抵消重力，使四旋翼飞行器悬停在空中，处于平衡状态。

当一对相同旋转方向的旋翼增大转速（升力），另一对减小转速（升力），该四旋翼飞行能够调整偏航。

当一对相同旋转方向的旋翼不变，另一对中一个增大转速（升力），一个减小转速（升力），该四旋翼可进行滚转或俯仰动作。（未完待续）

叶素理论

将旋翼叶片沿旋转半径剖开，形成的桨叶微段，可看成一小段有翼型的机翼，又称为叶素。

叶素理论假设桨叶由连续布置的多个桨叶微段（即叶素）组成。叶素的升力系数、阻力系数，与其翼型有关。通过分析叶素的运动和受力情况，可得出其几何特性与空气动力学特性之间的联系，从而计算出旋翼旋转速度和倾角与桨叶受力的关系。