王 鋒 吳 江 周國(guó)慶 李正浩

（1.遼寧通用航空研究院，遼寧 沈陽(yáng)110136；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，遼寧 沈陽(yáng)110136）

0 引言

多旋翼飛行器其本身最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，相鄰旋翼產(chǎn)生的扭矩會(huì)相互抵消，所以不像直升機(jī)那樣安裝反扭矩旋翼，利用空氣動(dòng)力來(lái)克服自身重量，動(dòng)力利用率高，同時(shí)可自主或遙控飛行。小型多旋翼飛行器具有，體積小、輕便、易隱藏的特點(diǎn)，可以在復(fù)雜環(huán)境執(zhí)行監(jiān)視等任務(wù)。民用方面，多旋翼飛行器在包括航拍、救災(zāi)、勘探、偵察、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。同時(shí)其優(yōu)異的機(jī)動(dòng)性，操作簡(jiǎn)單，成本相對(duì)低廉，更是成為各大科研機(jī)構(gòu)所青睞[1-4]。

1 多旋翼飛行器早期研究發(fā)展

20世紀(jì)20年代，法國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)小的無(wú)人直升機(jī)，盡管這臺(tái)機(jī)器沒(méi)有成功，但卻激發(fā)了他的學(xué)生Breguet。1907年法國(guó)Breguet兄弟制造了第一架多旋翼飛行器，即Breguet-Richet Gyroplane No.1。如圖1所示，Breguet-Richet的多旋翼飛行器[5]。Gyroplane No.1于1907年8月在杜埃進(jìn)行了第一次飛行試驗(yàn)。由于這架四多旋翼飛行器沒(méi)有安裝飛行控制系統(tǒng)，所以導(dǎo)致飛行穩(wěn)定性很差[6]。

圖1 Gyroplane No.1外觀圖

1922年，George De Bothezat和Ivan Jerome在俄亥俄州南部城市代頓的美國(guó)空軍基地建造了一架大型多旋翼飛行器，每組旋翼由6個(gè)槳葉組成，且槳徑都達(dá)到26英尺，該飛行器的四組旋翼都由一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)能，盡管多旋翼飛行器進(jìn)行了數(shù)百次的飛行試驗(yàn)，但是仍然無(wú)法對(duì)其飛行狀態(tài)進(jìn)行很好的控制，最終放棄了這個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃。

1924年，名為Oemichen多旋翼飛行器經(jīng)過(guò)上千次的飛行試驗(yàn)，獲得了相當(dāng)高的穩(wěn)定性和可控性。1924年4月14日飛行試驗(yàn)，旋翼機(jī)首次飛行高度達(dá)到了360米，而后的三天試驗(yàn)當(dāng)中，飛行器的高度達(dá)到了525米。飛行距離超過(guò)1公里，同時(shí)在7分40秒內(nèi)完成了1公里的閉路飛行。

1956年，名叫Convertawing的人制造了一架螺旋槳直徑上超過(guò)19英尺的多旋翼飛行器，動(dòng)力由兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)提供，機(jī)翼產(chǎn)生前飛升力，改變每組旋翼拉力來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行控制，盡管Convertawings多旋翼飛行器試飛很成功，但很可惜的是由于多種原因，研究人員最終放棄了這個(gè)項(xiàng)目。

這一時(shí)期設(shè)計(jì)出的載人多旋翼飛行器，雖然可以進(jìn)行垂直起降的飛行。但是由于原型機(jī)前期表現(xiàn)欠佳，后期的穩(wěn)定性較差，多旋翼飛行器的實(shí)用性沒(méi)有被推廣起來(lái)，導(dǎo)致了多旋翼飛行器的發(fā)展幾乎處于停滯的狀態(tài)。

2 現(xiàn)階段多旋翼飛行器的研究狀況

在此后的數(shù)十年中，多旋翼飛行器沒(méi)有大的進(jìn)展。然而，近十幾年來(lái)，多旋翼飛行器又引起了人們極大的興趣，隨著多旋翼飛行器的動(dòng)力能源采用電動(dòng)，碳纖材料以及飛行控制理論等技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展[7]，多旋翼飛行器的發(fā)展帶來(lái)了前所未有的契機(jī)，很多學(xué)術(shù)論文不斷發(fā)表，飛行器的結(jié)構(gòu)和性能也得到了極大的優(yōu)化。與此同時(shí)，多旋翼飛行器向微小型和大型兩個(gè)方面發(fā)展。

蔣介石早期對(duì)于黨義的闡釋和宣導(dǎo)較多依賴和借鑒黨內(nèi)元老及幕僚的相關(guān)著述，后期逐步將自己的主張融入其中。?對(duì)蔣介石影響較大的黨內(nèi)元老也大多偏重傳統(tǒng)，現(xiàn)代知識(shí)不足。據(jù)王世杰1940年4月29日日記載:“本黨老同志對(duì)于孫中山先生主義，大多一知半解，此為最難補(bǔ)救之缺憾。孫中山先生政治與經(jīng)濟(jì)主張，系折衷西洋諸國(guó)制度與其晚近學(xué)說(shuō);本黨年老諸同志，大都未受完全之現(xiàn)代教育，而尤不直接研讀西書(shū)，故于孫先生之主張往往不能徹底了解。今晨黨中某同志，在國(guó)民政府作紀(jì)念周，講民權(quán)主義，其議論缺乏政治常識(shí)，令人對(duì)于三民主義之前途，有無(wú)限憂慮。”?

2.1 微小型多旋翼飛行器

對(duì)于飛行器本身的研究而言，主要是飛行器控制方法改進(jìn)以及特定控制方案實(shí)行，主要的研究方向有：慣導(dǎo)、視覺(jué)的方法控制等。在這方面做的最多的是賓夕法尼亞大學(xué)、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院和佐治亞理工大學(xué)的研究人員[8-9]。

OS4是瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的小型電動(dòng)多旋翼飛行器，其研究的主要目的是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制算法，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外完全自主飛行。該項(xiàng)目用多種算法實(shí)現(xiàn)了飛行器姿態(tài)控制。2006用慣導(dǎo)的方法在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了自主懸?？刂芠2]。

HMX4是賓夕法尼亞大學(xué)的一個(gè)項(xiàng)目，其設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器不僅實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的飛行控制；同時(shí)也進(jìn)行了針對(duì)四旋翼飛行器的全方面應(yīng)用研究。整個(gè)機(jī)構(gòu)76cm，質(zhì)量約為700g，機(jī)架基部有5個(gè)涂有顏色的標(biāo)志，采用地面攝像頭對(duì)彩色標(biāo)示物進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，測(cè)量其位置與面積，通過(guò)視覺(jué)導(dǎo)航方法獲取四軸飛行器的姿態(tài)和位置狀態(tài)，角速率信息通過(guò)機(jī)體安裝的三軸陀螺儀測(cè)量獲取，用以實(shí)現(xiàn)飛行器的姿態(tài)控制[2]。

在佐治亞理工大學(xué)為其所承擔(dān)的探測(cè)火星項(xiàng)目時(shí)，設(shè)計(jì)和研發(fā)了計(jì)算機(jī)輔助四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)名為GTMAR[2]。它能全自主起降，并折疊。

微型多旋翼飛行器始于美國(guó)軍方無(wú)人機(jī)的項(xiàng)目，由于技術(shù)限制，把其作為獨(dú)立項(xiàng)目分離出來(lái)。斯坦福大學(xué)的研究小組在NASA的資助下，開(kāi)發(fā)了名為Mesicopter的微型多旋翼飛行器。它尺寸僅有一個(gè)硬幣大小，微電機(jī)驅(qū)動(dòng)，旋翼直徑3mm，如圖2所示。

圖2 Mesicopter微小型四多旋翼飛行器

2.2 大型多旋翼飛行器研究

多旋翼飛行器在小型成果的同時(shí)，大型多旋翼飛行器研發(fā)也取得了成功。德國(guó)的E-vovo公司研發(fā)一款多多旋翼飛行器VC200，主體采用碳纖維復(fù)合材料，具有18個(gè)電機(jī)和旋翼，目前飛行器采用了6組電池供電，每組電池為3臺(tái)電動(dòng)機(jī)供電，這些電能完全可以維持20分鐘左右的飛行。如圖3所示。

圖3 VC200多旋翼飛行器

軍用方面，美國(guó)軍方開(kāi)發(fā)了一種大型的無(wú)人多旋翼飛行器，旋翼系統(tǒng)由8個(gè)單獨(dú)的旋翼構(gòu)成，并由此產(chǎn)生飛行所需要的動(dòng)力，最高飛行時(shí)速240km/h。如圖4所示。

圖4 黑騎士多旋翼飛行器

2.3 多旋翼飛行器商業(yè)化應(yīng)用

德國(guó)Microdrones、美國(guó)DragonFlyer、法國(guó)AR.Drone這三家公司在多旋翼飛行器商業(yè)化應(yīng)用的過(guò)程當(dāng)中取得了很大的成功。

MD4-200是德國(guó)microdrones公司研發(fā)的微型多旋翼飛行器，機(jī)體的大部分結(jié)構(gòu)由碳纖制造，由于材料的選定使得多旋翼飛行器在重量和強(qiáng)度方面存在更優(yōu)異的表現(xiàn)，同時(shí)使其具備了抗電磁干擾的能力。在電量不足和無(wú)線信息丟失的情況下，飛行器可以自主降落。因裝備了多種高精度傳感器和卓越的控制算法，使其操控變得非常的簡(jiǎn)單。MD4-200在飛行的同時(shí)可以顯示飛行狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)。

DragonFlyer是Dragonfly Innovation Inc.設(shè)計(jì)的一種采用碳纖維螺旋槳的多旋翼飛行器，由四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，自帶平衡、定點(diǎn)懸浮功能。機(jī)體下方安裝高性能處理器，可以在運(yùn)行代碼的同時(shí)接收傳感器輸出的信息并加以處理。Dragonfly帶有開(kāi)放式通訊應(yīng)用接口，適應(yīng)于科研機(jī)構(gòu)或者大學(xué)的二次科研開(kāi)發(fā)。

法國(guó)Parrot公司研發(fā)了一款多旋翼飛行器AR.Drone，有四個(gè)獨(dú)立旋翼，控制人員可以通過(guò)外置設(shè)備中的軟件對(duì)其進(jìn)行飛行控制操作。飛行器基于WiFi信號(hào)，因此操控的距離可以達(dá)到50米，并且裝配了重力感應(yīng)裝置、陀螺儀、機(jī)械控制芯片等裝置。智能飛行技術(shù)可以糾正環(huán)境誤差，使得可以平穩(wěn)的飛行。

這三款多旋翼飛行器自上市以來(lái)，被廣泛用于航空攝影、監(jiān)視、消防救災(zāi)、等眾多領(lǐng)域。

3 未來(lái)多旋翼飛行器發(fā)展趨勢(shì)

3.1 發(fā)展現(xiàn)狀

目前多旋翼飛行器在設(shè)計(jì)、研發(fā)、試驗(yàn)各個(gè)方面都取得了很大的進(jìn)展，并且得到了廣泛的應(yīng)用。但多數(shù)飛行器的飛行控制設(shè)計(jì)只設(shè)定在特定環(huán)境下。離真正的多功能多旋翼飛行器還是存在一定差距。必須提高其各方面的技術(shù)能力，才能發(fā)揮最佳效果。

現(xiàn)階段多旋翼飛行器的關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)可分為總體設(shè)計(jì)優(yōu)化、動(dòng)力裝置、數(shù)學(xué)模型建立、飛行控制、定位導(dǎo)航與通信這五個(gè)方面。

（1）總體設(shè)計(jì)優(yōu)化：輕、小、快、低碳環(huán)保。

（2）動(dòng)力裝置：旋翼、發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、機(jī)載電池。

（3）數(shù)學(xué)模型建立：同時(shí)考慮復(fù)雜環(huán)境對(duì)飛行器本身的影響。

（4）飛行控制：由于變量多、非線性等種種因素，使得飛控設(shè)計(jì)變得十分復(fù)雜。

（5）定位、導(dǎo)航與通信：在可靠穩(wěn)定的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多個(gè)協(xié)同控制技術(shù)，并且加強(qiáng)其抗干擾的能力。

3.2 發(fā)展前景

（1）隨著針對(duì)多旋翼飛行器相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步研究，其技術(shù)會(huì)逐步成熟。任務(wù)規(guī)劃、飛控、導(dǎo)航裝置、通信等子系統(tǒng)將逐步完善，同時(shí)具備自主起降和抗干擾穩(wěn)定飛行的特性，最終的目的是填補(bǔ)目前國(guó)際上范圍內(nèi)偵查手段的空白。

（2）多旋翼飛行器在將來(lái)會(huì)達(dá)到MAV的最低要求。隨著航空理論及技術(shù)的發(fā)展，多旋翼飛行器必然會(huì)取得重大進(jìn)展。它將會(huì)成為一個(gè)集成多種系統(tǒng)的高級(jí)復(fù)雜系統(tǒng)，并具有隱身和信息傳輸?shù)哪芰Α?/p>

（3）多機(jī)編隊(duì)協(xié)調(diào)飛行與作戰(zhàn)化應(yīng)用將會(huì)更加完善。在未來(lái)的戰(zhàn)中，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行干擾并最終對(duì)其攻擊是微小型多旋翼飛行器的任務(wù)之一。編隊(duì)協(xié)調(diào)飛行更是完成任務(wù)和突防的重要手段。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，以及在軍事和民用的應(yīng)用前景，多旋翼飛行器會(huì)逐步向高效、多功能化方向發(fā)展。并且四多旋翼飛行器的研究涉及多個(gè)領(lǐng)域的理論與技術(shù)，所以它的研究在解決自身問(wèn)題的同時(shí)，也推動(dòng)了其他領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，提供了試驗(yàn)方法，豐富了理論依據(jù)，同時(shí)也為未來(lái)進(jìn)一步研究多旋翼飛行器打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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