趙渤宇 任飛

摘要：本文介紹了人類歷史上第一架飛機(jī)“飛行者一號(hào)”，以及多旋翼無人機(jī)的基本飛行和控制原理，并概述了多旋翼無人機(jī)存在的關(guān)鍵技術(shù)問題、智能飛行技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)、多旋翼無人機(jī)、飛控系統(tǒng)、飛行技術(shù)、智能化

1. 概述

1903年萊特兄弟在滑翔機(jī)的基礎(chǔ)上，制造出了一架具有動(dòng)力和操縱系統(tǒng)的雙翼飛機(jī) “飛行者一號(hào)”，并駕駛它實(shí)現(xiàn)了人類首次重于空氣的航空器持續(xù)而且可操縱的動(dòng)力飛行。雖然“飛行者一號(hào)”第一次飛行時(shí)間僅有12秒，飛行距離約36.6米，但這標(biāo)志著人類飛行時(shí)代的到來。

如今，各種航空飛行器已屢見不鮮，如民航機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、軍用無人機(jī)、直升機(jī)、以及各種廉價(jià)的可供人們娛樂的多旋翼航拍無人機(jī)與五花八門的固定翼航模。其中多旋翼飛行器結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、容易操控、不需要跑道起飛、并且可在空中穩(wěn)定懸停，因而其用途越來越廣泛，比如目前四旋翼無人機(jī)通常是航拍娛樂、編隊(duì)飛行表演、電力巡檢及植物保護(hù)等領(lǐng)域的首選飛行器方案、同時(shí)多旋翼無人機(jī)也在消防滅火、交通運(yùn)輸、甚至軍事等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力[1-3]。

已上市場的部分多旋翼無人機(jī)已經(jīng)能夠在室外空曠的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行、精準(zhǔn)懸停、精確定位、甚至能夠?qū)崿F(xiàn)一些簡單的自主飛行技術(shù)，如自動(dòng)返航、自動(dòng)避障、以及自主規(guī)劃路線等。然而，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展以及智能化的市場需求，提高多旋翼無人機(jī)的自主飛行或者說智能化飛行技術(shù)正當(dāng)其時(shí)。因此，本文對(duì)航空器的飛行原理做了簡單的科普介紹，并概括了當(dāng)前最流行且用途最廣的多旋翼無人機(jī)的智能飛行技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，以及當(dāng)前存在的問題。

2. 基本飛行原理

如圖1所示，相比現(xiàn)代飛機(jī)人類真正意義上的第一架飛機(jī)“飛行者一號(hào)”結(jié)構(gòu)非常簡單，主要由一臺(tái)重77公斤12馬力的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、雙機(jī)翼機(jī)體、兩個(gè)螺旋槳、前置的升降舵、后置的方向舵、連接發(fā)動(dòng)機(jī)與螺旋槳的鉸鏈、以及控制升降舵的操縱桿和控制機(jī)翼變形及方向舵的傳動(dòng)裝置組成[4]。發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)螺旋槳以相反的方向旋轉(zhuǎn)從而使空氣向后流動(dòng)，根據(jù)牛頓第三定律反之機(jī)體受到向前的推力，從而使飛機(jī)加速。當(dāng)飛機(jī)速度足夠大時(shí)，根據(jù)伯努利原理，彎曲（橫截面“上凸下平”）的機(jī)翼上方的空氣流速大而壓力小，下方的空氣流速小而壓力大，從而使機(jī)體產(chǎn)生升力，當(dāng)升力大于機(jī)體和駕駛員總重量時(shí)，飛機(jī)騰空而起。通過用手調(diào)整操縱桿進(jìn)而控制升降舵，用臀部的橫向移動(dòng)調(diào)整機(jī)翼的變形程度和方向舵，從而可以調(diào)整飛機(jī)的飛行方向和姿態(tài)。

“飛行者一號(hào)”雖然結(jié)構(gòu)簡單，但其中蘊(yùn)含的原理依然被使用現(xiàn)代飛機(jī)中，比如如圖2所示的民航機(jī)的升降舵和方向舵[5]，即使第五代戰(zhàn)斗機(jī)如F-22、蘇-57、殲-20，四代機(jī)如F-15、蘇-35和殲-15，以及捕食者、翼龍和彩虹等軍用無人機(jī)機(jī)身上也有“飛行者一號(hào)”的影子。值得一提的是，軍用無人機(jī)也通常采用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳作為動(dòng)力來源，例如如圖3所示的是7月20日在河南執(zhí)行緊急救災(zāi)通信任務(wù)的軍民兩用無人機(jī)“翼龍”[6]。目前民航機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)大多采用渦扇或渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)牛頓第三定律，通過渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)向后噴出高速氣體，可以使機(jī)體受到向前的巨大的推力。與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相似，高速氣體主要是由燃料燃燒產(chǎn)生的，只不過民航機(jī)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)吸入空氣作為燃料的氧化劑，而火箭發(fā)動(dòng)機(jī)則既能攜帶燃料又?jǐn)y帶氧化劑。戰(zhàn)斗機(jī)和民航機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大區(qū)別在于，民航機(jī)通常使用大涵道比（外涵道與內(nèi)涵道空氣流量的比值）渦扇，燃油效率高，而戰(zhàn)斗機(jī)通常使用小涵道比的高推力渦扇或渦噴，相對(duì)來說燃料效率比較低，某些先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)還具有矢量噴口，即通過改變氣體噴出角度而提高機(jī)動(dòng)性。

與“飛行者一號(hào)”及現(xiàn)代民航機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)不同，多旋翼無人機(jī)小巧廉價(jià)，不需要特定跑道起飛。多旋翼無人機(jī)通常是指含有三個(gè)及以上旋翼的無人駕駛飛機(jī)。根據(jù)多旋翼無人機(jī)具有的旋翼數(shù)量，可分為四、六、八、十二……旋翼等多種類型，其中四旋翼無人機(jī)應(yīng)用最廣。如圖4和表1所示，可通過每個(gè)軸上的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生推力，通過改變不同槳葉之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速而改變相應(yīng)軸的推進(jìn)力大小，從而控制飛行器的運(yùn)行軌跡。如圖4 所示，紅色箭頭代表無人機(jī)的朝向，無人機(jī)飛行時(shí)旋翼（槳葉）M2、M4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，M1、M3 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)而抵消互相產(chǎn)生的作用力使無人機(jī)保持穩(wěn)定，飛行姿態(tài)與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系詳見表1[7]。因此，四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)和位置的控制都是通過調(diào)節(jié)四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)的。通常，四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為偏航運(yùn)動(dòng)、垂直運(yùn)動(dòng)、滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)及懸停五種狀態(tài)。

如圖5所示，以大疆公司的Mavic Pro四旋翼無人機(jī)為例，多旋翼無人機(jī)主要由飛行控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、圖傳系統(tǒng)、以及各種傳感器組成。飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)的大腦，簡稱飛控，主要由遙控器和無人機(jī)中的嵌入式處理器系統(tǒng)構(gòu)成。動(dòng)力系統(tǒng)則主要包括電池、電機(jī)、電調(diào)及槳葉。定位系統(tǒng)主要由GPS、氣壓計(jì)、視覺攝像頭及超聲波傳感器組成。圖傳系統(tǒng)主要由一體式云臺(tái)相機(jī)及2.4GHz 和5.8GHz 的OcuSync圖傳系統(tǒng)組成。慣性測量單元、GPS、氣壓計(jì)、電子羅盤、視覺攝像頭、超聲波傳感器等種傳感器采集的數(shù)據(jù)傳回飛控，經(jīng)飛控運(yùn)算處理判斷后并下達(dá)指令，最后由動(dòng)力系統(tǒng)控制無人機(jī)的飛行、懸停及姿態(tài)變化。

3. 智能飛行技術(shù)

3.1 多旋翼無人機(jī)研究的關(guān)鍵問題

目前市場上的多旋翼無人機(jī)在GPS信號(hào)良好時(shí)可精準(zhǔn)定位，在GPS信號(hào)欠佳光照條件滿足視覺系統(tǒng)需求時(shí)可通過視覺系統(tǒng)定位，然而在GPS信號(hào)差或指南針受干擾，且光照條件差不滿足視覺定位要求時(shí)，無人機(jī)會(huì)進(jìn)入姿態(tài)模式無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)懸停甚至飄移，從而容易引起安全事故。因此，發(fā)展廉價(jià)且更高精度的定位系統(tǒng)依然是多旋翼無人機(jī)研究的核心問題之一。此外，隨著通信技術(shù)及人工智能的發(fā)展，多旋翼無人機(jī)的智能化、終端化、集群化必將是發(fā)展趨勢。特別是智能飛行技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步降低多旋翼無人機(jī)的操控難度、提高無人機(jī)的安全性和可靠性，進(jìn)而擴(kuò)大多旋翼無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

3.2 自主飛行技術(shù)的發(fā)展概況

目前已上市場的部分多旋翼無人機(jī)已經(jīng)能夠在室外空曠等簡單的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行、精準(zhǔn)懸停、精確定位、甚至還能實(shí)現(xiàn)一些簡單的自主飛行技術(shù)，如自動(dòng)返航、自動(dòng)避障、以及自主規(guī)劃路線等。然而，在復(fù)雜環(huán)境下，如在存在電磁干擾情況的狹小動(dòng)態(tài)空間中實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的穩(wěn)定飛行依然具有較大難度，并且現(xiàn)有的自主飛行技術(shù)依然非常單一，只能在特定的環(huán)境下進(jìn)行。因此，研發(fā)具有高度智能化的可自主作業(yè)的多旋翼無人機(jī)是重要發(fā)展方向之一，這需要飛控可以通過機(jī)體搭載的傳感裝置采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地進(jìn)行自動(dòng)判斷和下達(dá)指令[9-11]。

3.3 智能化發(fā)展趨勢

隨著人工智能技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)以及各種低功耗高精度傳感器的發(fā)展，多旋翼無人機(jī)將進(jìn)一步高度智能化，從而進(jìn)一步降低使用門檻并擴(kuò)大應(yīng)用范圍，同時(shí)提高安全性和可靠性。目前雖然部分多旋翼無人機(jī)已具備避障、自動(dòng)返航及自主規(guī)劃路線等自主飛行技術(shù)，但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而且這些技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境下還不成熟。例如，目前的自動(dòng)避障技術(shù)主要基于視覺攝像頭和超聲波傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，對(duì)于電線等表面積或體積較小的物體難以識(shí)別。因此，智能化的發(fā)展首先依賴于數(shù)據(jù)采集傳感器性能的發(fā)展，以及低延遲率的無人機(jī)通信技術(shù)。其次，需要強(qiáng)大算力的嵌入式處理器對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算處理并下達(dá)指令。非常重要且有前途的是，與汽車無人駕駛系統(tǒng)類似，未來高度智能化的多旋翼無人機(jī)的控制必將借助強(qiáng)大的深度學(xué)習(xí)算法，對(duì)采集的各種環(huán)境下的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納學(xué)習(xí)進(jìn)而實(shí)時(shí)做出準(zhǔn)確判斷甚至預(yù)測，進(jìn)而極大地提高多旋翼無人機(jī)的智能化飛行技術(shù)。

4. 智能飛行技術(shù)的應(yīng)用前景

多旋翼無人機(jī)已經(jīng)越來越高度智能化和專業(yè)化，智能飛行技術(shù)的應(yīng)用必將極大地推動(dòng)多旋翼無人機(jī)在航拍娛樂、編隊(duì)飛行表演、工程測繪、應(yīng)急廣播、搜尋偵查、電力巡檢、植保農(nóng)藥、甚至消防救援、物流配送、交通運(yùn)輸及軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，多旋翼無人機(jī)也將進(jìn)一步滲透到其它意想不到的領(lǐng)域，例如系留無人機(jī)照明為抗疫期間火神山、雷神山醫(yī)院的建設(shè)提供了夜間作業(yè)保障[12]，同時(shí)多旋翼無人機(jī)在應(yīng)急廣播、巡邏疏導(dǎo)、防疫宣傳、物資投遞、噴灑消毒等方面發(fā)揮了重要作用，為疫情防控提供了重要的科技支持[13]。

5. 總結(jié)

多旋翼無人機(jī)具有體積小、成本低、靈活性高及穩(wěn)定的懸停能力等多重天然優(yōu)勢，相信隨著智能飛行技術(shù)的發(fā)展，多旋翼無人機(jī)將進(jìn)一步滲透到各個(gè)領(lǐng)域，使生活生產(chǎn)所需的飛行工作變得如同鳥兒翱翔藍(lán)天一般簡單。

參考文獻(xiàn)

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[3]http：//www.360doc.com/content/18/1125/11/39872701_797091057.shtml

[4]https：//en.wikipedia.org/wiki/Wright_Flyer

[5]https：//ryanaircheckintime.blogspot.com/2019/10/aeroplane-wing-flap.html

[6]https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1705952288099620496&wfr=spider&for=pc

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[11]冉劍， 佟佳慧. 基于在線仿真的無人機(jī)飛控系統(tǒng)智能校正技術(shù)[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)， 2019（6）.

[12]https：//www.sohu.com/a/398376780_354880

[13]https：//mp.weixin.qq.com/s/v1pSXzUQzUAOusGniogyXQ

[14]中央電視臺(tái)國防軍事頻道官方微博 https：//weibo.com/6189120710/KpTSNkh1n？type=comment

作者簡介：趙渤宇（2000-），男，滿族，遼寧錦州人，遼寧科技大學(xué)本科學(xué)生。

通訊作者：任飛（1992-），男，漢族，山西太原人，天津大學(xué)博士研究生，郵箱：mrrenfei@163.com