多旋翼无人机的发展及应用下

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。

无人机市场目前如火如荼，多旋翼飞行器正成为消费级无人机的主流。本期结合它的主要特点和飞行原理，分析其应用方向和未来发展趋势。

当前市场热销机型

市场是产品的试金石。经过实地和网络调查，笔者梳理了4款目前销量排名靠前的消费级无人机。

第一款是加拿大Draganfly公司的产品，即被《科技新时代》杂志评选为2008年航空航天类最佳成果的Draganflyer X6。它的机体上装有16种传感器，包括陀螺仪、加速度计、磁力计、GPS 设备、气压传感器等。此外，该平台还能携带高分辨率的无线摄像机等设备，用于执行工业检测、军事侦察、空中拍摄等任务。Draganflyer X6的续航时间在25分钟以上，操作者可通过地面操纵台控制，并利用配套的视频眼镜即时观看机载摄像机拍摄的影像。

第二款是法国Parrot公司的产品AR.Drone——“最酷玩具”。AR.Drone主要具备4个功能：可用iPad、iPod或iPhone控制；通过Wi-Fi进行两机对战或多机空战游戏；通过屏幕观看实时影像；在室内或室外均可遥控飞行。因为该飞行器可由iPhone系列产品操纵，所以被誉为高科技和时尚的完美结合。

第三款是中国深圳大疆创新科技公司的Phantom系列产品，国内称为“小精灵”。作为航拍神器，“小精灵”系列产品行销全球，占据了国际市场的半壁江山。

第四款是德国MicroDrones公司的产品MD4-1000。作为可搭载各类设备的飞行平台，MD4-1000以其长达88分钟的续航时间一枝独秀，占据了较大的市场份额。

现有应用方向

通过搭载不同的设备，多旋翼飞行器可实现在各行业中的多种应用：搭载照相机或摄像机，可用于高空监控、反恐处突、灾害监测评估、输电线路巡检、电视节目录制等；搭载农药等农用设备，可用于农林植保；搭载货物，可用于派送快件；搭载测绘仪器，可用于航空探矿、地质勘测、区域地图绘制等；搭载通信平台，可用于应急通信、通信中继；搭载光源，可用于舞台剧照明；搭载读卡器，可结合RFID技术用于仓库盘点存货；搭载应急救援设备，特别适用于在人力不可及的地区传递物品和信息。美国一家公司研发的“黑骑士”变形金刚垂直起降飞行车，就是多旋翼飞行器的一次出色应用。

事实上，多旋翼飞行器可能的应用领域还远不止这些。从技术层面上看，要完全满足军用市场和民用市场的需求，多旋翼无人机或许需要一二十年的发展时间。

未来发展趋势

多旋翼无人机目前还处于技术发展期，其现状与现实需求有一定的矛盾。关于未来多旋翼飞行器技术会朝哪些方向发展，笔者总结了以下几点。

续航时间太短是现阶段多旋翼产品与需求的一个矛盾。大部分多旋翼飞行器的续航时间为10-25分钟，国际顶级产品也只能达到88分钟。通过调研发现，如果续航时间超过两小时，那么多旋翼飞行器就能够满足90%以上的作业要求。而动力技术的进步可以大幅提高其续航时间。

（1）新型电池：燃料电池、石墨烯、铝空气、纳米点等都是当前新型电池技术的研究热点。加拿大蒙特利尔省的EnergyOr公司采用燃料电池的四旋翼，曾完成了长达两小时12分钟的连续飞行。随着各国大力推进新能源汽车，新型电池技术必然会有长足的发展，多旋翼无人机正好可以利用这些成果。

（2）混合动力：通常由蓄电池、太阳能光伏薄膜、汽油发电机、汽油发动机中的两种或多种动力组成。由Draper实验室和MIT科研人员联合成立的Top Flight公司研制出一款混合动力的六旋翼无人机，只需1加仑汽油（约3.78升），便可飞行两个半小时、约160千米的距离，其最大载荷为20磅（约9千克）。美国Bye航宇公司正致力于推出一款名为“沉默监护者（Silent Guardian）”的混合动力无人机，其动力由太阳能光伏薄膜和蓄电池组成。

（3）地面供电：采用地面供电的多旋翼无人机，系统会搭载专用的系留电源模组，通过电缆将电源输送给飞行平台。这样一来，无人机平台便可摆脱电池容量对续航时间的限制，实现24小时不间断悬停，用于长时间持续空中监控和应急通信。国内的佛山安尔康姆、北京天恒昕业等多家公司都推出了系留型多旋翼无人机。

（4）无线充电：在消费电子领域和汽车产业，这项新技术的关注度正逐步提高，且各行业都推出了各自的标准。无线充电主要分为电磁感应和激光充电两大类。其中电磁感应因传输效率问题，主要用于近距离无线充电；而激光则可用于在视距范围内远距离充电。由美国激光动力技术公司研发的具有跟踪功能的激光充电技术，已实现通过激光远距离传输能量、为飞行中的无人机提供持续动力的功能。

关键部件失效是无人机坠毁的主要原因，由此带来的飞行安全问题，必然会限制无人机的推广。要有效提高多旋翼无人机的可靠性和安全性，可从以下几方面考虑。

（1）法规制订者：飞行器的可靠性及其飞行安全性问题，是航空法规制订者主要考虑的问题。2009年前，国内无人机处于无监管的状态。2009年至今，相关部门陆续推出了《关于民用无人机管理规定有关问题的暂行规定》、《民用无人机空中交通管理办法》、《民用无人机驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》等法规，并开始推广持证飞行。但因监管尚未完善和正规化，实际执行界限模糊不清，导致规范飞行难以实现。与此同时，有世界无人机法规领航者之称的英国和有商用无人机领头羊之称的美国，都已根据无人机的发展现状及时推出了新法案。

（2）管理部门：可设立无人机行业准入机制和产品资质认证，对生产厂商的产品进行监管。例如要求无人机有唯一产品编号，即能有效减少不法分子对多旋翼飞行器的滥用。针对不同类型的小型无人机（多旋翼、直升机、固定翼），美国NASA、Airware等公司已展开一系列的飞行测试，并研发与之配套的无人机空中交通管制系统。

（3）研制和生产厂商：在设计和制造阶段，应着力提高飞行器的可靠性。在硬件方面，可购买质量有保证的元器件；在软件方面，则需要进行大量的地面和空中测试并为飞行器增加保护措施。此外，多旋翼在飞行过程中可能被盗或发生数据泄露，进而引发安全事故。为防止类似情况发生，可采用通信链路加密、防病毒设计等措施。最后，可考虑为飞行器加装降落伞等附件，以便在其失控时迫降，有效保护地面人员和设备的安全。

（4）运营厂商：培养合格的多旋翼飞控手，加强业务培训，规范持证上岗制度。为避免在人口密集区飞行，可要求飞手在人口密集区和关键区域禁飞，防止出现意外情况。

多旋翼无人机到底能做什么，是客户最关心的问题，而这有赖于飞行器自主控制能力的提高。微型化的机器视觉系统和高精度的惯导系统，是提升其自控等级的关键点。随着导航技术、交互技术、通信技术和芯片技术的发展，这些关键点都得到了有效解决。

在2012年TED演讲大会上，宾夕法尼亚大学的Vijay Kumar教授展示了GRASP实验室的多项最新研究成果。其研制的四旋翼只有手掌大小，却能在室内使用激光导航飞行，高精度的定位和超强的运动能力令人咋舌：两架四旋翼能够协同抓取重物往返，完成运输任务；多架四旋翼则可编队飞行，并在障碍处自动做队形变换。演讲最终以多架四旋翼飞行器击打多种乐器，协奏一首世界名曲结束。多架飞行器自主飞行并协同工作，是现今世界无人机领域的顶尖技术。

目前国内哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、西北工业大学和国防科技大学对自主飞行均做了一些研究，但大多数还处于理论算法和仿真试验阶段。在自主控制飞行方面，国内总体研究和应用水平与国外先进水平之间差距较大。

要想大规模推广应用，多旋翼无人机不仅要好用，还要能用得起。多旋翼飞行器的成本不仅包括制造费用，还包括以上几个问题的研发经费。电池现在是整套系统中使用寿命最短的设备，提升其寿命可在一定程度上降低使用成本。而飞行器可靠性的提高，也能进一步降低系统全寿命周期成本。

近年来，全世界很多企业和发烧友都加入了研制和生产无人机的大潮中。飞控等平台逐渐呈现开源化的趋势，大大降低了多旋翼无人机的硬件和软件成本。目前，国际无人机行业多使用APM（用户最多）、德国MK（最早的开源系统）、Paparazzi（稳定性高、扩展性强）、PX4和MWC（兼容性强）5个开源平台。计算机开源系统公司Linux也适时推出了“Dronecode”无人机开源系统，旨在为开发者提供所需要的资源、工具和技术支持，加快无人机和机器人的发展。一家名为Percepto的创业团队则发起了计算机视觉组件开源项目，目标是搭建一个集硬件、驱动、算法、安全、机身控制于一体的平台，让更多人在此平台上开发无人机相关应用。