四旋翼飛行器的發(fā)展與應(yīng)用

宋洪達(dá) 郝桂麗

摘 要：本文介紹了四旋翼飛行器的發(fā)展和四旋翼飛行器的基本原理，研究了四旋翼在航拍攝影、精確農(nóng)業(yè)、電力巡檢、快遞運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用方法以及存在問題，由此指出了四旋翼飛行器未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：四旋翼；應(yīng)用

四旋翼飛行器是一種能夠垂直起降、自主懸停的多旋翼飛行器，其研制涉及動力與能源、控制與導(dǎo)航、微機(jī)電技術(shù)和傳感器技術(shù)等多個(gè)專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，因此可以作為一個(gè)優(yōu)秀的交叉學(xué)科科研實(shí)驗(yàn)平臺，并在航拍攝影、精確農(nóng)業(yè)、電力巡檢、物流運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1907 年，Breguet 兄弟設(shè)計(jì)制造了第一架四旋翼飛行器，但是飛行狀態(tài)非常不穩(wěn)定。之后Crutiss-Wright在20世紀(jì)50年代研制了Crutiss-Wright VZ7四旋翼，雖然解決了飛行穩(wěn)定性的問題，但是因其速度和高度達(dá)不到使用要求而擱淺。在20世紀(jì)中后期，四旋翼飛行器因其穩(wěn)定性、可控性和實(shí)用性較差，發(fā)展幾乎處于停滯的狀態(tài)[1]。

隨著電池技術(shù)、微機(jī)電、微慣導(dǎo)以及飛行控制等技術(shù)的進(jìn)步，四旋翼飛行器得到了迅速發(fā)展，在民用以及軍事領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用，更是為各大研究機(jī)構(gòu)所青睞[2]。在NASA支持下，斯坦福大學(xué)設(shè)計(jì)出一款微型四旋翼飛行器Mesicopter，該項(xiàng)目的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)自主飛行和多飛行器協(xié)同完成具體任務(wù)。麻省理工學(xué)院深入研究了無人機(jī)的集群控制技術(shù)，并成立無人機(jī)集群健康管理計(jì)劃，該項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了包括多架四旋翼飛行器單位對目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)搜索、復(fù)雜環(huán)境下對動態(tài)目標(biāo)實(shí)施跟蹤、多單位協(xié)同合作編隊(duì)飛行在內(nèi)的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。賓夕法尼亞大學(xué)的Mellinger等人在四旋翼飛行器上安裝了一個(gè)抓取裝置，用于抓取并搬運(yùn)物體，應(yīng)用位姿控制器來進(jìn)行位置補(bǔ)償。

1 組成及原理

四旋翼飛行器一般可分為：能源模塊、動力模塊、通信模塊、控制導(dǎo)航模塊。能源模塊為飛行器提供動力能源；動力模塊由旋翼、驅(qū)動裝置組成，為飛行器提供升力；通信模塊一般由地面站、遙控器、無線發(fā)射和無線接收裝置組成；控制導(dǎo)航模塊由控制器、傳感器組成，傳感器用來測量飛行器的實(shí)時(shí)姿態(tài)和位置信息，控制器再根據(jù)各個(gè)傳感器反饋的狀態(tài)信息，通過數(shù)據(jù)融合計(jì)算后生成飛行控制指令；載荷模塊則根據(jù)應(yīng)用需求而不同，如相機(jī)、紅外等。

一般地，四旋翼飛行器改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)整螺旋槳產(chǎn)生的升力來實(shí)現(xiàn)飛行器六自由度的姿態(tài)運(yùn)動，這種設(shè)計(jì)理念使飛行器結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特性得到了大大的簡化。四旋翼的相對兩槳逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，另一相對兩槳順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，這種反向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)代替了傳統(tǒng)直升機(jī)尾旋翼。四旋翼飛行器可分為四種基本的控制方式，即垂直控制、橫滾控制、俯仰控制、偏航控制。假設(shè)四旋翼飛行器設(shè)計(jì)為“X”型，四個(gè)電機(jī)起始轉(zhuǎn)速相同；那么，同時(shí)增加或減小四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)爬升、下降和懸停；增加相鄰兩槳電機(jī)轉(zhuǎn)速，保持另一相鄰兩槳電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，可實(shí)現(xiàn)左右或前后運(yùn)動；增加一相對兩槳電機(jī)轉(zhuǎn)速，減小另一相對兩槳電機(jī)轉(zhuǎn)速，可借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動。

2 應(yīng)用研究

近年來，四旋翼飛行器不只作為一個(gè)流行的平臺在各種科學(xué)研究中廣泛應(yīng)用，在航拍、精確農(nóng)業(yè)、電力線巡查、精確農(nóng)業(yè)、快遞物流等多個(gè)領(lǐng)域，四旋翼飛行器也都發(fā)揮了重要的作用。

最初四旋翼的興起就源于其在航拍領(lǐng)域的有效應(yīng)用，也是四旋翼飛行器應(yīng)用最廣泛、最成熟的領(lǐng)域。航拍主要是指四旋翼飛行器掛載高清相機(jī)或攝像機(jī)進(jìn)行低空攝影，可用于影視拍攝、圖像采集等任務(wù)。大疆DJI將先前無人機(jī)直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)改進(jìn)后，應(yīng)用到四旋翼飛行器上，解決了之前四旋翼飛行器存在的穩(wěn)定性差、難操作的問題，由此推出PHANTOM系列四旋翼飛行器，其最新的PHANTOM4還增加了自動視覺避障功能。四旋翼飛行器在航拍的快速發(fā)展，引起全球范圍的無人機(jī)熱潮，推動了無人機(jī)的民用化進(jìn)程?，F(xiàn)階段，四旋翼飛行器在航拍領(lǐng)域的應(yīng)用越來越細(xì)化細(xì)分，主要面臨監(jiān)管缺失、航時(shí)較短等問題。

在精確農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，四旋翼飛行器主要應(yīng)用于兩個(gè)方面：一是農(nóng)業(yè)信息的精準(zhǔn)獲取[3]，四旋翼飛行器可通過安裝不同的傳感器來獲取田間地形地貌環(huán)境、病蟲草害等信息，低空作業(yè)不受天氣影響，且不會對農(nóng)田造成采樣性破壞，利于獲得準(zhǔn)確與清晰的農(nóng)業(yè)信息，有著良好的發(fā)展前景。二是農(nóng)藥噴灑植保，四旋翼飛行器掛載藥液進(jìn)行低空噴灑作業(yè)，可通過旋翼產(chǎn)生的向下氣流增加藥霧對作物從的穿透，提高防治效果，也減小了人工作業(yè)的危險(xiǎn)，此方法在國內(nèi)外都得到廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)的大疆、極飛和零度智控都推出了面向農(nóng)業(yè)植保的多旋翼飛行器。雖然四旋翼飛行器在精確農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大，但也面臨負(fù)載小、航時(shí)短等問題。

在電力巡檢領(lǐng)域，四旋翼飛行器的作用逐漸得到顯現(xiàn)，可搭載照相機(jī)、攝像機(jī)、紅外熱像儀、紫外成像儀等用于檢測線路金具松脫、缺失和磨損，以及絕緣子劣化、破損或?qū)У鼐€斷股等情況，成為輸電線巡檢系統(tǒng)的重要組成部分。國家電網(wǎng)供電公司已配備Q690四旋翼飛行器用于負(fù)責(zé)配電網(wǎng)的故障巡查工作。在巡視人員無法確定架空導(dǎo)線損傷程度的情況下，四旋翼飛行器成功地從空中拍攝到了故障點(diǎn)，清晰顯示了導(dǎo)線斷股數(shù)量，為迅速確定搶修方案、有效縮短搶修時(shí)間提供了支持。

在快遞物流領(lǐng)域，多旋翼飛行器的應(yīng)用也是前景無限。目前，亞馬遜正在著手構(gòu)建一個(gè)名為“Amazon Prime Air”無人機(jī)快遞物流系統(tǒng)，目的是通過多旋翼飛行器將用戶購買的商品送貨上門。國內(nèi)的京東也專門成立無人機(jī)部門，設(shè)計(jì)研發(fā)出多款多旋翼物流無人機(jī)，并在安徽、陜西等地進(jìn)行了無人機(jī)快遞投遞的測試，在可預(yù)期的幾年內(nèi)有望取代人力投遞。與此同時(shí)，順豐速運(yùn)也在進(jìn)行多旋翼飛行器的快遞測試，其目標(biāo)主要在于實(shí)現(xiàn)包裹往人力配送較難、較慢的偏遠(yuǎn)地區(qū)的投遞。同時(shí)，無人機(jī)的包裹投遞也會引出航空監(jiān)管、安全著落等一系列問題。

3 展望

隨著未來技術(shù)發(fā)展，四旋翼飛行器在整體性能上將有顯著提升，在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用將會繼續(xù)深入，并應(yīng)用于新的領(lǐng)域，且趨向于規(guī)范化與規(guī)?；l(fā)展。

參考文獻(xiàn) ：

[1]王鋒，吳江，周國慶，等.多旋翼飛行器發(fā)展概況研究[J].科技視界， 2015 （13）： 6-7.

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[3]姬江濤，扈菲菲，賀智濤，等.四旋翼無人機(jī)在農(nóng)田信息獲取中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013，35（2）：1-4.