四旋翼无人机设计

王典++王玲

摘要：本文以四旋翼轻型民用无人机设计为主旨，主打实用化、多功能化，并结合模块化设计使消费者根据自身的使用用途，可以有更多更全面的的选择配件的方式，既可以实现通过搭配不同配件实现一机多用的目的，又可以帮助消费者节省更多不必要花费的资金。多功能能的应用可以实现民用高空拍摄、救援取景等多方面作业。

关键词：无人机；人机互动；模块化；多功能；航拍

1.无人机历史简介

随着民用无人机全新应用场景不断涌现，这一市场的潜在规模正在急速扩容。近期京东已展开无人机送货测试，未来将有望将无人机用于农村电商“最后一公里”的配送中。这意味着，此前一直被外界认为是“高端玩具”的民用无人机，正在突破“发烧友追捧”的发展阶段，开始逐渐应用于更多实用场景。关行业报告指出，无人机产业未来十年成长空间广阔，其市场规模在千亿元级别；芯片、传感器、电池等产业链上下游的成长潜力同样不容小觑。随着无人机应用领域的不断扩大，其全产业市场规模则有望攀高至3000亿元左右。构报告预测，无人机市场规模将在未来几年迅猛增长，未来5年硬件产品复合年增长率将超过50%，而软件和服务的增长率则有可能翻番。下图为2011年-2015年百度无人机指数。无人机发展至今已经有近100年的历史，一直以来，受到技术、政策等因素的限制，无人机发展速度一直比较缓慢而且主要集中军事领域，而最近几年，无人机，特别是民用无人机得到了前所未有的机遇。事实上，新的无人机应用场景不断涌现，已经引起了产业界和投资界的关注。国内外产业人士和投资机构普遍认为，随着无人机应用领域的多样化，其潜在市场规模将持续扩大。

2.无人机的类别及特点优势

无人机是无人驾驶飞机的简称（Unmanned Aerial Vehicle），是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置的不载人飞机，包括无人直升机、固定翼机、多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机。广义地看也包括临近空间飞行器（20-100公里空域），如平流层飞艇、高空气球、太阳能无人机等。从某种角度来看，无人机可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行任务和各种负载任务，可以被看做是“空中机器人”。

按照不同平台构型来分类，无人机可主要有固定翼无人机、无人直升机和多旋翼无人机三大平台（如图表所示），其它小种类无人机平台还包括伞翼无人机、扑翼无人机和无人飞船等。固定翼无人机是军用和多数民用无人机的主流平台，最大特点是飞行速度较快；无人直升机是灵活性最强的无人机平台，可以原地垂直起飞和悬停；多旋翼（多轴）无人机是消费级和部分民用用途的首选平台，灵活性介于固定翼和直升机中间（起降需要推力），但操纵简单、成本较低。

3.无人机关键设计分析

3.1、无人机结构和组成分析

无人机也称为多旋翼飞行器，包括如下部分：

与固定翼无人机相比，多轴飞行器的飞行更加稳定，能在空中悬停。主机的硬件结构及标准的遥控器的结构图如下图。其只是标准产品的解剖图，有些更加高级的如针对航模发烧友和航拍用户们的无人机系统，还会要求有云台、摄像头、视频传输系统以及视频接收等更多模块。

3.2各类材料在无人机上的应用

纵观国外无人机（包括中、高空无人侦察机、无人作战飞机等），无一例外地大量使用了复合材料结构，有些甚至是全复合材料结构，因此以复合材料为核心的无人机结构设计、制造技术是影响无人机发展的关键技术之一。据统计，目前世界上各种先进无人机的复合材料用量一般占机体结构总重的60% ～80%，复合材料的总用量可达90%以上。目前，复合材料在无人机领域已成为主要结构材料，如昆明劲鹰无人机使用碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、蜂窝夹层复合材料等，复合材料的耐腐蚀性能，可满足无人机恶劣环境下长储存寿命的特殊要求，降低使用维护的寿命周期成本。再次，复合材料易植入芯片或合金导体形成智能材料、结构。

4.无人机产业政策

军民融合助力“无人机”概念早已提出。有关无人机民用的消息，早在2014年就已接连不断地出现在公众面前，吸引了大量眼球。如无人机在多部影视作品拍摄，Google和Facebook竞相收购无人机资产布局全球互联网等等，当时的火热情景带来了此后几年无人机产业快速发展。就在前一段时间，美国方面发布消息称正研究智能意识无人机。诸多消息的集中涌现使得“无人机”成为短期热门关键词。

其实，无人机在今年火热绝不是突然兴起的，其除了年初受中国民用航空局发布的《轻小无人机运行规定（试行）》政策影响外，军民融合政策的进一步落实也是推动无人机产业发展的关键，而国务院最新发布的《关于2016年深化经济体制改革重点工作的意见》，更是对无人机的发展带来利好环境条件。今年3月初，国家领导人提出要把军民融合发展上升为国家战略，在此之后，明显可看到军民融合步伐的明显加快。3月25日，中共中央政治局审议通过了《关于经济建设和国防建设融合发展的意见》，这是继国防科工局发布《2016年国防科工局军民融合专项行动计划》之后又一助推军民融合深度发展的重磅政策。

5.无人机产业有望迎来爆发元年

从大疆创新宣布即将在中日韩同步发售MG-1农业植保机，到腾讯在2016年度发布会上正式发布首款无人机产品“空影YING”，再到美研发智能意识无人机等等，诸多消息的发酵和在国内军民融合政策的驱动下，我国无人机产业有望在2016年迎来爆发。

在无人机领域，目前除了军用无人机体现出无人机市场的主要价值外，随着飞行控制芯片小型化与低成本化趋势加强，民用与消费级无人机商业价值也在凸显中。有机构预测，未来5年民用与消费级无人机两大领域年均复合增长率将保持在19%以上。长江证券（000783，股吧）认为，“在未来3～5年时间里，摆在国内无人机厂商面前的是全球消费级市场及国内工业级市场，而且对于国内市场，工业级应用潜力更大”。面对未来千亿无人机产业空间，国内相关企业很可能会进一步加大投资力度，而在政府的相关制度力推下，特别是低空管制即将放开的预期影响，2016年很可能会成为国内无人机产业的爆发元年。机构认为，无人机消费级和工业级市场值得关注。其中，农业植保领域有望在政策支持和适合的商业模式下率先爆发，电力、油气领域批量采购也或将在年内启动。

参考文献：

[1]李威、郭权锋，碳纤维复合材料在航天领域的应用，中国光，2011.06。