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无人机为什么偏爱多旋翼?

2016-5-28 14:09| 发布者: cfso5068| 查看: 2659| 评论: 0|原作者: 全权

摘要:   无人机为什么偏爱多旋翼?

  常见飞行器通常被分为固定翼、直升机和多旋翼(四旋翼最为主流)。在2010年之前,固定翼和直升机无论在航拍还是航模运动领域,基本上占有绝对主流的地位。然而,在之后的几年中,因优良的操控性能,多旋翼迅速成为航拍和航模运动领域的新星,但这仍然需要专业人员调试或装配飞机。2012年底,中国大疆公司推出四旋翼一体机——小精灵Phantom。

无人机为什么偏爱多旋翼?这里有最全的解释

  因该产品极大地降低了航拍的难度和成本,获得了广大的消费群体,成为迄今为止最热销的产品。之后短短两年间,围绕着多旋翼飞行器相关创意、技术、产品、应用和投资等新闻层出不穷。目前,多旋翼已经成为微小型无人机或航模的主流。比如在2015年刚闭幕的中国国际模型博览会和农业展览会上,我们随处可见多旋翼的身影。随着大疆产品的走热、各种相关技术的不断进步、开源飞控社区的推动、专业人才的不断加入,以及资本的投入等等因素,多旋翼技术得到迅猛地发展。

  对于目前多旋翼产品,一般分半自主控制方式和全自主控制方式。半自主控制方式是指自动驾驶仪的控制算法能够保持多旋翼飞行器的姿态稳定(或定点)等,但飞行器还是需要通过人员遥控操纵。在这种控制方式下,多旋翼属于航模。全自主控制方式是指自动驾驶仪的控制算法能够完成多旋翼飞行器航路点到航路点的位置控制以及自动起降等。在这种控制方式下,多旋翼属于无人机,而地面人员此时进行任务级的规划。作为无人机,多旋翼飞行器可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行任务和搭载各种负载任务,可以被看作是“空中机器人”。

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  1、缘何青睐多旋翼

  首先,我们以目前电动的固定翼、直升机和多旋翼为例比较它们的用户体验:

  在操控性方面,多旋翼的操控是最简单的。

  它不需要跑道便可以垂直起降,起飞后可在空中悬停。它的操控原理简单,操控器四个遥感操作对应飞行器的前后、左右、上下和偏航方向的运动。在自动驾驶仪方面,多旋翼自驾仪控制方法简单,控制器参数调节也很简单。相对而言,学习固定翼和直升机的飞行不是简单的事情。固定翼飞行场地要求开阔,而直升机飞行过程中会产生通道间耦合,自驾仪控制器设计困难,控制器调节也很困难。

  在可靠性方面,多旋翼也是表现最出色的。

  若仅考虑机械的可靠性,多旋翼没有活动部件,它的可靠性基本上取决于无刷电机的可靠性,因此可靠性较高。相比较而言,固定翼和直升机有活动的机械连接部件,飞行过程中会产生磨损,导致可靠性下降。而且多旋翼能够悬停,飞行范围受控,相对固定翼更安全。

  在勤务性方面,多旋翼的勤务性是最高的。

  因其结构简单,若电机、电子调速器、电池、桨和机架损坏,很容易替换。而固定翼和直升机零件比较多,安装也需要技巧,相对比较麻烦。

  在续航性能方面,多旋翼的表现明显弱于其他两款,其能量转换效率低下。

  在承载性能方面,多旋翼也是三者中最差的。

  对于这三种机型,操控性与飞机结构和飞行原理相关,是很难改变的。在可靠性和勤务性方面,多旋翼始终具备优势。随着电池能量密度的不断提升、材料的轻型化和机载设备的不断小型化,多旋翼的优势将进一步凸显。因此,在大众市场,“刚性”体验最终让人们选择了多旋翼。

  然而,多旋翼也有自身的发展瓶颈。

  它的运动和简单结构都依赖于螺旋桨及时的速度改变,以调整力和力矩,该方式不宜推广到更大尺寸的多旋翼。

  第一,桨叶尺寸越大,越难迅速改变其速度。

  正是因为如此,直升机主要是靠改变桨距而不是速度来改变升力。

  第二,在大载重下,桨的刚性需要进一步提高。

  螺旋桨的上下振动会导致刚性大的桨很容易折断,这与我们平时来回折铁丝便可将铁丝折断同理。因此,桨叶的柔性是很重要的,它可以减少桨叶来回旋转对桨叶根部的影响。正因为如此,为了减少桨叶的疲劳,直升机采用了一个容许桨叶在旋转过程中上下运动的铰链。如果要提供大载重,多旋翼也需要增加活动部件或加入涵道和整流片。这相当于一个多旋翼含有多个直升机结构。这样多旋翼的可靠性和维护性就会急剧下降,优势也就不那么明显了。当然,另一种增加多旋翼载重能力的可行方案便是增加桨叶数量,增至18个或32个桨。但该方式会极大地降低可靠性、维护性和续航性。种种原因使人们最终选择了微小型多旋翼。

  2、多旋翼爆红的成因

  沉寂期:1990年以前

  早在1907年,法国C.Richet教授指导Breguet兄弟进行了他们的旋翼式直升机的飞行试验,如图1a,这是有记录以来最早的构型。第一架成功飞行的垂直起降型四旋翼飞行器出现在20世纪20年代,但那时几乎没有人会用到它。1920年,E.Oemichen设计了第一个四旋翼飞行器的原型,但是第一次尝试空运时失败了。

  之后在1921年B.G.De在美国俄亥俄州西南部城市代顿的美国空军部建造了另一架如图1c的大型四旋翼直升机,这架四旋翼飞机除飞行员外可承载3人,原本期望的飞行高度是100米,但是最终只飞到5米的高度。E.Oemichen的飞机在经过重新设计之后(如下图b所示),于1924年实现了起飞并创造了当时直升机领域的世界纪录,该直升机首次实现了14分钟的飞行时间。E.Oemichen和B.G.De设计的四旋翼飞行器都是靠垂直于主旋翼的螺旋桨来推进,因此它们都不是真正的四旋翼飞行器。

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(早期的多旋翼)

  早期四旋翼飞行器的设计受困于极差的发动机性能,飞行高度仅仅能达到几米,因此在接下来的30年里,四旋翼飞行器的设计没有取得多少进步。直到1956年,M.K.Adman设计的第一架真正的四旋翼飞行器Convertawings Model“A”(如图1d)试飞取得巨大成功,这架飞机重达1吨,依靠两个90马力的发动机实现悬停和机动,对飞机的控制不再需要垂直于主旋翼的螺旋桨,而是通过改变主旋翼的推力来实现。然而,由于操作这架飞机的工作量繁重,且飞机在速度、载重量、飞行范围、续航性等方面无法与传统的飞行器竞争,因此人们对此失去了进一步研究的兴趣,该研究被迫停止。

  在20世纪50年代,美国陆军继续测试各种垂直起降方案。Curtiss-Wright是被邀请参与研制了VZ-7和杠杆燃气涡轮机的几家公司之一,杠杆燃气涡轮机的出现提高了VZ-7的功率与重量比。因此,VZ-7被称作“Flying Jeep”,如图(e)所示,其有效载重量为250千克,靠425马力的杠杆燃气涡轮发动机驱动。VZ-7的测试在1959年至1960年期间得到实现。虽然它相对稳定,但是它未能达到军方对高度和速度的要求,该计划并没有得到更进一步的推行。

  在1990年以前,惯性导航体积重量过大,动力系统载荷也不够,因此当时多旋翼设计得很大。正如前面分析的,大尺寸的多旋翼并没有那么大优势,与多旋翼相比,固定翼和直升机更适合发展大尺寸。在此之后的30年中,四旋翼飞行器的研发没有取得太大的进展,几近沉寂。

  复苏期:1990年至2005年

  20世纪90年代之后,随着微机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)研究的成熟,重量只有几克的MEMS惯性导航系统被开发运用,使制作多旋翼飞行器的自动控制器成为现实。此外,由于四旋翼飞行器的概念与军事试验渐行渐远,它开始以独特的方式通过遥控玩具市场进入消费领域。

  虽然MEMS惯性导航系统已被广泛应用,但是MEMS传感器数据噪音很大,不能直接读取并使用,于是人们又花费大量的时间研究去除噪声的各种数学算法。这些算法以及自动控制器本身通常需要运算速度较快的单片机,可当时的单片机运算速度有限,不足以满足需求。接着科研人员又花费若干年理解多旋翼飞行器的非线性系统结构,并为其建模、设计控制算法、实现控制方案。因此,直到2005年左右,真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出来。

  起步期:2005年至2010年

  在生产制造方面,德国Microdrones GmbH于2005年成立,2006年推出的md4-200四旋翼(如图a)系统开创了电动四旋翼在专业领域应用的先河,2010年推出的md4-1000四旋翼无人机系统,在全球专业无人机市场取得成功。另外,德国人H.Buss和I.Busker在2006年主导了一个四轴开源项目,从飞控到电调等全部开源,推出了四轴飞行器最具参考的自驾仪Mikrokopter。2007年,配备Mikrokopter的四旋翼像“空中的钉子”一般停留在空中。很快他们又进一步增加了组件,甚至使它半自主飞行。美国Spectrolutions公司在2004年推出Draganflyer IV四旋翼(如下图b),并随后在2006年推出了搭载SAVS(稳定航拍视频系统)的版本。

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  在学术方面,2005年之后四旋翼飞行器继续快速发展,更多的学术研究人员开始研究多旋翼,并搭建自己的四旋翼。

  之前一直被各种技术瓶颈限制住的多旋翼飞行器系统瞬间被炒得火热,大家惊喜地发现居然有这样一种小巧、稳定、可垂直起降、机械结构简单的飞行器的存在。一时间研究者蜂拥而至,纷纷开始多旋翼飞行器的研发和使用。而国内的爱好者也纷纷研究,并开设论坛。虽然多旋翼的算法易懂,但组装一架多旋翼却不是一件容易的事情。在早期研究阶段,科研人员把很多时间都花在了飞行器的组装调试环节。然而,有能力开发工艺的人往往缺乏对飞控的深入了解,一般只是复现国外的技术,谈不上进一步对系统进行改进。当时既掌握飞控技术又精通多旋翼工艺的经常是那些原来从事固定翼或直升机飞控的公司。德国Microdrones虽然较早地推出产品,但是工业级的四旋翼的价格对于普通消费者来说简直是遥不可及。除此之外,消费级的Draganflyer四旋翼之所以没有推广是因为其操控性及娱乐性不强(智能手机或平版电脑还尚未普及)、二次开发能力弱以及销售渠道窄(当时电商网络处于初步发展阶段)。

  复兴期:2010年至2013年

  经过6年努力(2004年至2010年),法国Parrot公司于2010年推出消费级的AR.Drone四旋翼玩具,从而开启了多旋翼消费的新时代。AR.Drone四旋翼在玩具市场非常成功,它的技术和理念也十分领先。

  第一,它采用光流技术,能够测量飞行器速度,使得AR.Drone四旋翼(图3a)能够在室内悬停。

  第二,可以做到一键起飞,操控性得到极大提升。

  第三,它采用手机、平板电脑或笔记本电脑控制,视频能够直接回传至电脑,娱乐感较强。

  第四,整个飞行器为一体机,并带有防护装置,比较安全。

  第五,AR.Drone开放了API接口,供科研人员开发应用。

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(四旋翼一体机产品)

  AR.Drone的成功也引发了一些自驾仪研发公司的思考。两年后,大疆推出的小精灵Phantom一体机(图b)正是借鉴了其设计理念。伴随着苹果在iPhone上大量应用加速计、陀螺仪、地磁传感器等,MEMS惯性传感器从2011年开始大规模兴起,6轴、9轴的惯性传感器也逐渐取代了单个传感器,成本和功耗进一步降低,成本仅为几美元。另外GPS芯片仅重0.3克,价格不到5美元。WiFi等通信芯片被用于控制和传输图像信息,通信传输速度和质量已经可以充分满足几百米的传输需求。同时,电池能量密度不断增加,使无人机在保持较轻的重量下,续航时间达到15-30分钟,基本满足日常的应用需求。近年来移动终端同样促进了锂电池、高像素摄像头性能的急剧提升和成本下降。这些都促进了多旋翼更进一步发展。

  与此同时,学术界也开始高度关注多旋翼技术。2012年2月,宾夕法尼亚大学的V.Kumar教授在TED大会上做出了四旋翼飞行器发展历史上里程碑式的演讲,展示了四旋翼的灵活性以及编队协作能力。这一场充满数学公式的演讲大受欢迎,它让世人看到了多旋翼的内在潜能。

  2012年,美国工程师协会的机器人和自动化杂志(Robotics & Automation Magazine,IEEE)出版空中机器人和四旋翼(Aerial Robotics and the Quadrotor)专刊,总结了阶段性成果,展示了当时最先进的技术。在这期间,之前不具备多旋翼控制功能的开源自驾仪增加了多旋翼这一功能,同时也有新的开源自驾仪不断加入,这极大地降低了初学者的门槛,为多旋翼产业发展装上了翅膀。

  爆发期:2013年至今

  2012年初,大疆推出小精灵Phantom一体机。Phantom与AR.Drone一样控制简便,初学者很快便可上手。同时,价格也能被普通消费者接受。相比AR.Drone四旋翼飞行器,Phantom具备一定的抗风性能、定位功能和载重能力,还可搭载小型相机。当时利用Gopro运动相机拍摄极限运动已经成为欧美年轻人竞相追逐的时尚潮流,因此Phantom一体机一经推出便迅速走红。

  连线杂志主编C.Anderson于2012年年底担任3D Robotics公司CEO,该公司于2013年8月推出Iris遥控四旋翼飞行器,于2014推出X8+四旋翼飞行器,并很快于2015年推出Solo四旋翼飞行器。

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(多旋翼主要开源项目一览表)

  此时,学术界对于多旋翼的研究更偏向智能化、群体化。2013年,苏黎世联邦理工学院的R.D'Andrea教授在TEDGlobal的机器人实验室展示了四旋翼的惊人运动机能。纵观学术界的发展,以“四旋翼(quadrotor)”和“多旋翼(multirotor)”为关键词的文献在近年成井喷趋势。这些研究往往具备前瞻性,将推动多旋翼产业未来的发展。

注:本文作者全权,北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院博士/副教授。


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