多旋翼飛行器：從原理到實(shí)踐 課件 ch01緒論

緒

論“工業(yè)和信息化部“十四五”規(guī)劃教材多旋翼飛行器:從原理到實(shí)踐第一章01基本概念1.常見(jiàn)飛行器的分類在地球大氣層內(nèi)、外飛行的器械稱為飛行器按飛行器的飛行環(huán)境和工作方式的不同，可以把飛行器分為:航空器、航天器、火箭和導(dǎo)彈間。其中航空器是指在大氣層內(nèi)飛行的飛行器，其依靠空氣的靜浮力或與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力升空飛行，航空器的一般分類如圖1.1所示。本書(shū)中所討論的飛行器一般指航空器，常用的小型航空器有三類，如圖1.2所示。1.常見(jiàn)飛行器的分類01固定翼飛行器如圖1.2(a)所示，固定翼飛行器的機(jī)翼位置及后掠角等參數(shù)基本固定不變。例如民航飛機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)大多數(shù)都是固定翼飛行器。它由推力系統(tǒng)產(chǎn)生前向的空速，進(jìn)而通過(guò)機(jī)翼產(chǎn)生升力來(lái)平衡飛行器的重力。基于這個(gè)原理，固定翼飛行器需要保持一定的前飛速度，因此很難垂直起降。與傳統(tǒng)的直升機(jī)相比，固定翼飛行器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、載荷大、飛行距離長(zhǎng)、耗能少，缺點(diǎn)是起飛和降落的時(shí)候一般需要跑道或彈射器。1.常見(jiàn)飛行器的分類02直升機(jī)如圖1.2(b)所示，直升機(jī)是依靠有周期變距功能的主旋翼同時(shí)提供升力和控制能力的旋翼飛行器。直升機(jī)有四個(gè)控制輸入，分別是周期變距桿、總距操縱桿、航向和油門?？偩嗖倏v桿控制旋翼的迎角(或攻角)。直升機(jī)的升力主要由總距操縱桿和油門控制，姿態(tài)由周期變距桿控制。由前面的介紹可知，直升機(jī)可以垂直起降，無(wú)須跑道或彈射器。與固定翼飛行器相比，直升機(jī)的續(xù)航時(shí)間沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，而且復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)帶來(lái)很高的維護(hù)成本。1.常見(jiàn)飛行器的分類03多旋翼多旋翼是由多個(gè)不可變距的螺旋槳提供動(dòng)力和控制能力的飛行器，也有垂直起降能力。最常見(jiàn)的多旋翼是四旋翼。與直升機(jī)不同的是，多旋翼僅通過(guò)控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)拉力的快速調(diào)節(jié)。因?yàn)槎嘈斫Y(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，所以螺旋獎(jiǎng)之間的反扭矩可以相互抵消。多旋翼在結(jié)構(gòu)上也非常簡(jiǎn)單，由此帶來(lái)了各通道之間耦合弱、可靠性高和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。然而這種拉力產(chǎn)生的方式在一定程度上也犧牲了多旋翼的承載能力和續(xù)航能力。1.常見(jiàn)飛行器的分類03多旋翼除前面介紹的三種飛行器之外，還有一些飛行器是由這三種飛行器復(fù)合而成的[3]如圖1.4(a)所示的旋翼傾轉(zhuǎn)飛行器就是復(fù)合式飛行器，它由三旋翼和固定翼飛行器復(fù)合而成，既能高速前飛又能垂直起降。1.常見(jiàn)飛行器的分類03多旋翼如圖1.4(b)所示的機(jī)身傾轉(zhuǎn)復(fù)合式多旋翼集成了四旋翼(底部)、固定翼和兩個(gè)直升機(jī)旋翼，也具備高速前飛和垂直起降的能力圖1.5展示了一種復(fù)合式多旋翼，它復(fù)合了兩個(gè)單旋翼和四旋翼!，進(jìn)而提高了負(fù)載能力。2.無(wú)人駕駛飛行器和航空模型無(wú)人駕駛飛行器，是指由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、機(jī)上無(wú)人駕駛的航空器，簡(jiǎn)稱“無(wú)人機(jī)”(Un-mannedAerialVehicle，UAV)，英文中有時(shí)也用“Drones”來(lái)表示無(wú)人機(jī)。軍事或民用領(lǐng)域常見(jiàn)的無(wú)人機(jī)包括無(wú)人直升機(jī)、無(wú)人飛艇、無(wú)人固定翼飛機(jī)等[!。無(wú)人機(jī)的飛行可以通過(guò)機(jī)載電腦自動(dòng)控制，也可以由地面或其他平臺(tái)上的操控人員(有時(shí)也稱駕駛員)遠(yuǎn)程控制。本書(shū)中主要考慮小型無(wú)人機(jī)。航空模型，在后文中簡(jiǎn)稱“航?！保袝r(shí)也稱“遙控飛行器”“遙控模型”。航模是一種有尺寸限制的、帶有或不帶有發(fā)動(dòng)機(jī)的、不能載人的飛行器，可以用于空中比賽、運(yùn)動(dòng)或者娛樂(lè)[12，它也稱為無(wú)線控制航模或者無(wú)線控制飛行器。在整個(gè)飛行過(guò)程中，航模必須位于飛行器操控人員的視距內(nèi)。讀者可以參考文獻(xiàn)[131得到航模操控的法定參數(shù)。2.無(wú)人駕駛飛行器和航空模型從廣義的角度來(lái)講，“無(wú)人機(jī)”可以認(rèn)為是一般化的稱謂，無(wú)人駕駛的飛行器都可以稱為“無(wú)人機(jī)”，但“無(wú)人機(jī)”與“航?！敝g有一定的區(qū)別。(1)組成不同。一般來(lái)說(shuō)，小型無(wú)人機(jī)的組成比航模更復(fù)雜。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)由機(jī)架動(dòng)力系統(tǒng)、自駕儀、任務(wù)系統(tǒng)、通信鏈路系統(tǒng)和地面站等組成;航模則主要包括機(jī)架動(dòng)力系統(tǒng)、簡(jiǎn)單的自穩(wěn)系統(tǒng)、遙控器及接收系統(tǒng)等。(2)操控方式不同。無(wú)人機(jī)是由機(jī)載電腦自動(dòng)控制的或者是由地面或其他平臺(tái)上的操控人員遠(yuǎn)程控制的，而航模一般由操控人員遙控操控。(3)用途不同。無(wú)人機(jī)更偏向于軍事用途或民用特種用途，一般用來(lái)執(zhí)行特殊任務(wù)而航模的用途更接近于玩具，或面向一些飛行競(jìng)賽等。2.無(wú)人駕駛飛行器和航空模型綜上，無(wú)人機(jī)和航模的不同主要取決于是否有成熟穩(wěn)定的飛行控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行自主飛行和決策。2.無(wú)人駕駛飛行器和航空模型多旋翼主要有兩種控制方式，分別為半自主控制方式和全自主控制方式目前大部分自駕儀可以同時(shí)支持這兩種控制方式。半自主控制方式意味著自駕儀可以穩(wěn)定姿態(tài)保持高度和穩(wěn)定位置等。以開(kāi)源自駕儀ArduPilotMega(APM)為例，在半自主控制方式下用戶可以選擇以下模式:自穩(wěn)模式、定高模式或者定點(diǎn)模式等。在這種控制方式下，多旋翼同時(shí)還受控于操控人員，因此更像是航模。而全自主控制方式意味著多旋翼可以完成預(yù)先設(shè)定保存在自駕儀里的任務(wù)，任務(wù)包含導(dǎo)航指令及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起降的指令在全自主控制方式下，地面上的操控人員只需要規(guī)劃任務(wù)即可。此時(shí)，多旋翼更像無(wú)人機(jī)。有些多旋翼可同時(shí)支持這兩種控制方式，它們可以由操控人員來(lái)回切換，并且不同的控制方式對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本書(shū)在后面章節(jié)不再具體區(qū)分多旋翼航模和多旋翼無(wú)人機(jī)，而是統(tǒng)稱為多旋翼飛行器，簡(jiǎn)稱為多旋翼。3.飛行原理01大氣環(huán)境在地球引力的作用下，大量氣體聚集在地球周圍形成大氣層。隨著高度增加，地球引力作用減小，大氣層的空氣密度減小，因此海拔越高空氣越稀薄。大氣層分為五層:對(duì)流層(變溫層)平流層(同溫層)、中間層(高空對(duì)流層)、電離層(熱層)和散逸層(外層)。對(duì)流層在大氣的最底層，緊靠地球表面，厚度為10~20km對(duì)流層的大氣受地球影響較大，云、霧、雨等氣候現(xiàn)象均發(fā)生在這一層內(nèi)。對(duì)流層中氣溫隨高度的增加而降低，一般來(lái)說(shuō)，每升高100m，溫度下降0.65°C左右。因?yàn)檫@層的空氣對(duì)流很明顯，所以稱為對(duì)流層。對(duì)流層以上是平流層，范圍為從對(duì)流層頂?shù)?0~55km高度。平流層的空氣狀態(tài)比較穩(wěn)定，大氣是平穩(wěn)流動(dòng)的，故稱為平流層。在平流層內(nèi)水蒸氣和塵埃很少，并且在對(duì)流層頂?shù)?0km高度的范圍是同溫層，其溫度在-55C左右。平流層以上是中間層，范圍為從平流層頂?shù)?5km高度，這里空氣稀薄，氣溫隨高度增加而迅速降低，空氣的垂直對(duì)流強(qiáng)烈。中間層以上為電離層，范圍為從中間層頂?shù)?000km高度，這里的氣體分子被太陽(yáng)紫外線照射，電離成帶電荷的正離子和負(fù)離子及部分自由電子。散逸層在電離層之上，由帶電粒子組成。大氣的絕大部分質(zhì)量集中在對(duì)流層和平流層，目前大部分的航空器也只在這兩層內(nèi)活動(dòng)。3.飛行原理02伯努利定理伯努利定理反映流體中流速與流體壓力之間的關(guān)系，是瑞士物理學(xué)家丹尼爾·伯努利在1738年發(fā)現(xiàn)的。伯努利定理的內(nèi)容表述為:不可壓、理想流體沿流管做定常流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)速度增加，流體的靜壓將減小;反之，流動(dòng)速度減小，流體的靜壓將增加;流體的靜壓和動(dòng)壓之和(稱為總壓)始終保持不變。伯努利定理在水力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)中有廣泛的應(yīng)用，是飛行器升力產(chǎn)生的原理，在流體力學(xué)的理論研究中有重要意義。如圖1.6所示的吹氣實(shí)驗(yàn)，將兩張紙平行放置，然后往兩張紙的中間吹氣，紙就會(huì)向中間貼近。這是因?yàn)橄騼杉堉虚g吹氣，氣流速度加快.壓力變低;而紙的外側(cè)沒(méi)有氣流流動(dòng)，相對(duì)壓力高，所以紙就往中間貼近。3.飛行原理03旋翼的空氣動(dòng)力飛行器機(jī)翼和螺旋槳的“翼剖面”的形狀一般為流線型。“翼剖面”通常也稱為“翼型”，是指沿平行于飛機(jī)對(duì)稱平面的切平面切割機(jī)翼所得到的剖面，如圖1.7所示。3.飛行原理03旋翼的空氣動(dòng)力如果要在翼型上產(chǎn)生氣動(dòng)力，必須讓它與空氣有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或者說(shuō)必須使氣流以一定的速度流過(guò)翼截面。現(xiàn)在將一個(gè)上邊圓拱、下邊微凸的翼型放在流速為V的氣流中如圖1.7(c)所示。假設(shè)翼型有一個(gè)不大的迎角，當(dāng)氣流流到翼型的前緣時(shí)，被分成上下兩股，分別流經(jīng)翼型的上下翼面。當(dāng)氣流流過(guò)上翼面時(shí)流動(dòng)通道變窄，氣流速度增大，壓強(qiáng)降低并低于前方氣流的大氣壓;氣流流過(guò)下翼面時(shí)，由于翼型前端上仰，氣流受到阻攔且流動(dòng)通道擴(kuò)大，氣流速度減小，壓強(qiáng)增大并高于前方氣流的大氣壓。因此在上下翼面之間就形成一個(gè)壓強(qiáng)差，進(jìn)而產(chǎn)生了一個(gè)向上的升力。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)翼產(chǎn)生的升力大小為3.飛行原理03旋翼的空氣動(dòng)力式中，p表示空氣密度，V表示機(jī)翼與空氣的相對(duì)速度，CL為升力系數(shù)，S為機(jī)翼的投影面積。其中，參數(shù)CL和S與翼型的形狀和迎角有很大關(guān)系，而翼型的幾何形狀可分為多種，不同的翼型產(chǎn)生的氣動(dòng)力效果有很大的區(qū)別，因此產(chǎn)生的升力大小也不一樣。不同的迎角產(chǎn)生的升力也不同。一般來(lái)講，在迎角為零時(shí)，不對(duì)稱的流線翼型仍可產(chǎn)生升力，而對(duì)稱翼型和平板翼型產(chǎn)生的升力卻為零。隨著迎角的增大，升力也會(huì)增大，但當(dāng)迎角增大到一定程度時(shí)，氣流就會(huì)從機(jī)翼后緣開(kāi)始分離，尾部會(huì)出現(xiàn)很大的渦流區(qū)。這時(shí)，升力會(huì)突然下降，而阻力卻迅速增大。這種現(xiàn)象稱為“失速”，如圖1.8所示。失速現(xiàn)象剛發(fā)生時(shí)的迎角稱為“臨界迎角”，固定翼飛行器不應(yīng)以接近或大于臨界迎角的狀態(tài)飛行，否則可能會(huì)使飛行器因失速而造成飛行事故。3.飛行原理03旋翼的空氣動(dòng)力02多旋翼操控原理和性能評(píng)估1.操控原理四旋翼通過(guò)控制四個(gè)電機(jī)來(lái)改變螺旋槳轉(zhuǎn)速進(jìn)而改變拉力和力矩。根據(jù)經(jīng)典力學(xué)理論中力的平移定理，剛體在某點(diǎn)處所受的力可以平移到另外一個(gè)點(diǎn)處，變?yōu)橐粋€(gè)力和一對(duì)附加力偶，附加力偶的力偶矩等于原力對(duì)平移點(diǎn)的力矩:而力矩可以直接平移到剛體中心軸上。這樣，拉力和力矩都統(tǒng)一到剛體中心處。隨著拉力和力矩的改變，四旋翼的姿態(tài)和位置得以控制。如圖1.9(a)所示，在懸停位置，所有的螺旋槳以相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，其中螺旋槳#1和螺旋槳#2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，螺旋槳#3和#4順時(shí)針轉(zhuǎn)。以螺旋槳#1為例，如圖1.9(b)所示，該螺旋槳的反扭矩可以平移到四旋翼中心軸上，而螺旋槳拉力的平移會(huì)同時(shí)產(chǎn)生附加的俯仰和滾轉(zhuǎn)力矩。因?yàn)橐还灿兴膫€(gè)螺旋槳提供的拉力，所以這些附加的力矩會(huì)相互抵消。在懸停飛行時(shí)，四個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的拉力平衡了多旋翼的重力。四個(gè)螺旋槳的拉力相同，力矩之和為零。1.操控原理01上下運(yùn)動(dòng)如圖1.10(a)所示，同時(shí)等量地增加四個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速，則螺旋槳產(chǎn)生的總拉力增大，但是力矩總和依然為零。這時(shí)，如果四旋翼被放在水平面上，那么當(dāng)拉力大于重力時(shí)，四旋翼就會(huì)上升。反之，如果同時(shí)等量地減小四個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速，則四旋翼會(huì)下降。一般情況下，上下運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的遙控器操控如圖1.10(b)所示。1.操控原理01上下運(yùn)動(dòng)1.操控原理01上下運(yùn)動(dòng)1.操控原理02前后運(yùn)動(dòng)如圖1.11(a)所示，等量減小旋槳#1、#3的轉(zhuǎn)速，同時(shí)等量增大螺旋槳#2、#4的轉(zhuǎn)速，則會(huì)引起四旋翼向前傾斜，然后拉力會(huì)產(chǎn)生向前的分量。同時(shí)，拉力的垂直分量會(huì)減小，將不再等于多旋翼的重力。因此，需要相應(yīng)地等量增加四個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速來(lái)補(bǔ)償重力，從而實(shí)現(xiàn)多旋翼的水平前向飛行。同理，可以實(shí)現(xiàn)后向飛行。一般情況下,前后運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的遙控器操控如圖1.11(b)所示。1.操控原理03左右運(yùn)動(dòng)如圖1.12(a所示，等量減小螺旋槳#1、#4的轉(zhuǎn)速，同時(shí)等量增加螺旋槳#2、#3的轉(zhuǎn)速，這將產(chǎn)生使機(jī)身向右滾轉(zhuǎn)傾斜的力矩，然后拉力會(huì)產(chǎn)生向右的分量。同時(shí)，拉力的垂直分量會(huì)減小，將不再等于多旋翼的重力。因此，需要相應(yīng)地增加四個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速來(lái)補(bǔ)償重力，從而實(shí)現(xiàn)多旋翼的水平右向飛行。同理，可以實(shí)現(xiàn)左向飛行。一般情況下，水平左右運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的遙控器操控如圖112(b)所示。1.操控原理04偏航運(yùn)動(dòng)如圖1.13(a)所示，等量減小螺旋槳#3、#4的轉(zhuǎn)速，同時(shí)等量增加螺旋槳#1、#2的轉(zhuǎn)速，這將使前后飛行和左右飛行的力矩為零。由牛頓第三定律可知，每個(gè)動(dòng)作都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大小相等方向相反的反作用力矩。因此，由于螺旋槳#1、#2的逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)速增加，所以順時(shí)針的偏航力矩也增加。而由于螺旋槳#3、#4的順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)速減小，所以逆時(shí)針的偏航力矩也減小。這樣，最終產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針的偏航力矩。在這個(gè)力矩的作用下，四旋翼順時(shí)針偏轉(zhuǎn)進(jìn)而改變它的偏航方向。一般情況下，偏航運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的遙控器操控如圖1.13(b)所示。1.操控原理04偏航運(yùn)動(dòng)在實(shí)際應(yīng)用中，僅通過(guò)反扭力矩進(jìn)行飛行器的偏航運(yùn)動(dòng)一方面會(huì)占據(jù)過(guò)多的電機(jī)可用轉(zhuǎn)速，另一方面由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反扭力矩較小，導(dǎo)致較大尺寸飛行器的偏航運(yùn)動(dòng)響應(yīng)速度較慢。因此，工程中會(huì)通過(guò)增加電機(jī)安裝角的方式增大偏航力矩。例如，針對(duì)圖1.13(a)中的電機(jī)#2，已知電機(jī)#2及螺旋槳為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，這會(huì)產(chǎn)生使飛行器順針旋轉(zhuǎn)的反扭力矩。如果將該電機(jī)按如圖1.14所示的旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小角度那么該旋翼產(chǎn)生的拉力就會(huì)在槳盤(pán)平面產(chǎn)生分力，進(jìn)而產(chǎn)生使飛行器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的偏航力矩，推動(dòng)飛行器進(jìn)行偏航運(yùn)動(dòng)。2.性能評(píng)估小型飛行器的性能評(píng)估可從以下五個(gè)方面著手。(1)可操控性，俗稱易用性，表示操控小型飛行器實(shí)現(xiàn)懸停和機(jī)動(dòng)飛行的難易程度。(2)可靠性，通常通過(guò)小型飛行器平均故障間隔時(shí)間來(lái)量化表示。(3)維修性，表示小型飛行器的設(shè)計(jì)和組裝的特性，這決定了一個(gè)故障的組件按照規(guī)定的操作和程序在規(guī)定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)的概率。該特性主要包括兩部分:服務(wù)性(執(zhí)行例行檢查和服務(wù)的難易程度)和可修復(fù)性(故障后恢復(fù)服務(wù)的難易程度)。(4)續(xù)航能力，小型飛行器在給定載荷和任務(wù)下的最大飛行時(shí)間。(5)承載能力，小型飛行器在給定油門(比如總油門的80%)和任務(wù)下的最大載重量。2.性能評(píng)估01可操控性:多旋翼的操控是最簡(jiǎn)單的，因?yàn)樗梢源怪逼鸾挡⑶铱梢栽诳罩袘彝！Ｓ?.2.1節(jié)可知，遙控器的兩個(gè)撥桿的四個(gè)操作分別對(duì)應(yīng)前后、左右、上下和偏航運(yùn)動(dòng)。因?yàn)檫@四種運(yùn)動(dòng)是解耦的，所以多旋翼的操控原理很簡(jiǎn)單，成年人一般在幾小時(shí)內(nèi)就可以掌握操控技術(shù)。此外，多旋翼的控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)節(jié)也比較容易。直升機(jī)的操控難點(diǎn)在于模型強(qiáng)耦合和強(qiáng)非線性，這提高了自駕儀的設(shè)計(jì)難度，而其控制器的參數(shù)調(diào)節(jié)也更困難。固定翼飛行器需要在較大空域內(nèi)飛行，并且因?yàn)樗鼰o(wú)法在空中懸停，所以操控人員需要進(jìn)行持續(xù)的控制操作。無(wú)論是航模直升機(jī)還是航模固定翼飛行器，都需要用戶花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)操控。通過(guò)以上分析可知，多旋翼的可操控性最佳。2.性能評(píng)估02可靠性:從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面考慮，多旋翼的可靠性很高。多旋翼一般采用無(wú)刷直流電機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源，僅通過(guò)電磁力進(jìn)行力的傳導(dǎo)。相比之下，固定翼飛行器中存在調(diào)節(jié)副翼的舵機(jī)，直升機(jī)主槳中也有復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這些機(jī)械結(jié)構(gòu)間不可避免的物理磨損，對(duì)飛行器的可靠性存在一定的負(fù)面影響。03維修性:多旋翼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易組裝和維護(hù)。其電機(jī)、電調(diào)、電池、螺旋槳或機(jī)架等部件損壞后容易替換。相反地，固定翼飛行器和直升機(jī)的零件較多，機(jī)構(gòu)較復(fù)雜因此它們的組裝也較為困難。2.性能評(píng)估04其他特性:多旋翼能量轉(zhuǎn)換效率最低，因此與固定翼飛行器和直升機(jī)相比，其在飛行時(shí)間和承載能力上沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。它們的總體性能如表1.2所示。3.瓶頸多旋翼在發(fā)展過(guò)程中也存在瓶頸。在當(dāng)前電池、材料和電機(jī)技術(shù)發(fā)展水平下，多旋翼續(xù)航能力的提升非常有限，而多旋翼承載能力的提升同樣面臨技術(shù)瓶頸。一方面，研制更大尺寸的多旋翼，進(jìn)而增加螺旋槳槳葉半徑這一技術(shù)路線的可行性不強(qiáng)。具體來(lái)說(shuō)，第一，槳葉半徑越大，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度越慢。相比之下，直升機(jī)靠改變旋翼的迎角(或攻角)，即槳距，來(lái)增加或減少總拉力，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快。第二獎(jiǎng)葉半徑越大，槳葉揮舞時(shí)螺旋槳更容易折斷。槳葉揮舞指的是多旋翼在飛行過(guò)程中螺旋槳葉片的上下運(yùn)動(dòng)。因?yàn)閯偠忍蟮臉獣?huì)直接將氣動(dòng)力傳遞給螺旋槳毅，這會(huì)引起電機(jī)和機(jī)架的機(jī)械損耗，所以多旋翼一般裝配有輕質(zhì)和螺距固定的塑料或碳纖維螺旋槳。而直升機(jī)采用了一個(gè)容許槳葉在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中上下?lián)]舞的較鏈，在這個(gè)較鏈的作用下，獎(jiǎng)葉揮舞帶來(lái)的彎曲力和力矩都不會(huì)傳遞給直升機(jī)的機(jī)身。與之相比，如果要提供大載重，多旋翼需要同直升機(jī)一樣增加活動(dòng)關(guān)節(jié)，例如類似直升機(jī)的較鏈或者涵道無(wú)人機(jī)的整流片[14]。但是這種做法會(huì)使改裝后的多旋翼結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，降低了它的可操控性、可靠性和維修性，削弱了其本來(lái)的優(yōu)勢(shì)。3.瓶頸另一方面，有一種增加多旋翼承載能力的方法是采用更多小槳來(lái)替代大槳。例如德國(guó)推出的多旋翼VC200，如圖1.15所示。03多旋翼發(fā)展歷史1.第一階段(1990年以前):休眠期早在1907年的法國(guó)，在查爾斯·里歇(CharlesRichet)教授的指導(dǎo)下，布雷蓋(Breguet)兄弟建造了他們的第一架載人直升機(jī)，一架命名為Breguet-RichetGyroplaneNo.1的四旋翼[如圖1.17(a)所示，并于當(dāng)年八月和九月之間進(jìn)行了第一次飛行。目擊者稱四旋翼升空1.5米，然后很快就著陸了。此次飛行失敗是由不實(shí)用的設(shè)計(jì)引起的。盡管飛行失敗了，但它卻是歷史上最早的多旋翼8]。工程師艾蒂安·奧米西恩(EtienneOemichen)于1920年開(kāi)始嘗試設(shè)計(jì)旋翼機(jī)，但是他的第一個(gè)模型沒(méi)能成功起飛。然而在經(jīng)過(guò)一些計(jì)算和重新設(shè)計(jì)之后，他的第二個(gè)飛行器OemichenNo.2[如圖1.17(b)所示]在1923年創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)直升機(jī)領(lǐng)域的世界紀(jì)錄:該直升機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了14分鐘的飛行時(shí)間。自此，軍方也對(duì)垂直起降飛行器產(chǎn)生了興趣。在1921年，喬治·波札特(GeorgeDeBothezat)和伊凡·杰羅姆(IvanJerome)為美國(guó)空軍部建造了一架四旋翼垂直起降飛行器。如圖1.17(c)所示，該四旋翼初步設(shè)計(jì)用來(lái)承載一個(gè)飛行員外加三個(gè)人，其期望的飛行高度是100米，但最終只飛到5米。這些早期設(shè)計(jì)由于發(fā)動(dòng)機(jī)性能較差，其飛行高度僅僅能達(dá)到幾米，因此在接下來(lái)的30年里，多旋翼飛行器的設(shè)計(jì)沒(méi)有取得大的進(jìn)步。1.第一階段(1990年以前):休眠期直到20世紀(jì)50年代中期，第一架真正意義上的四旋翼才實(shí)現(xiàn)飛行，它是由馬克·阿德曼·卡普蘭(MarcAdmanKaplan)設(shè)計(jì)的。這架四旋翼名為ConvertawingsModel“A”[如圖1.17(d)所示]，于1956年第一次試飛并取得巨大成功。2.第二階段(1990-2005年):復(fù)蘇期01研究20世紀(jì)90年代，汽車電子的發(fā)展促進(jìn)了微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSys-tem，MEMS)研究的成熟，幾克重的慣性測(cè)量單元(InertialMeasurementUnit，IMU)開(kāi)始出現(xiàn)，且成本進(jìn)一步降低。此時(shí)開(kāi)始有研究者基于亞德諾半導(dǎo)體公司的ADXRS系列陀螺儀和ADXL系列加速度計(jì)進(jìn)行自駕儀的開(kāi)發(fā)。雖然人們?cè)O(shè)計(jì)出了MEMS傳感器但是廉價(jià)的MEMSIMU產(chǎn)生的噪聲很大，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不能直接使用。于是越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始研究MEMSIMU進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量時(shí)如何去噪的問(wèn)題。設(shè)計(jì)一架小型多旋冀除了需要算法，還需要可以運(yùn)行算法的微型計(jì)算機(jī)。在此階段，微型計(jì)算機(jī)(如單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器)的計(jì)算速度有了明顯提高，這使得多旋翼的小型化成為可能。這時(shí)期，大學(xué)研究人員開(kāi)始建立多旋翼模型并為其設(shè)計(jì)控制算法。同時(shí)，一些先驅(qū)們開(kāi)始搭建自己的多旋翼[19-23]。2.第二階段(1990-2005年):復(fù)蘇期02產(chǎn)品隨著多旋翼的概念不再局限于軍事用途，它開(kāi)始通過(guò)遙控玩具市場(chǎng)走近消費(fèi)者。同時(shí)，隨著消費(fèi)電子尤其是智能手機(jī)的興起，基于MEMS的IMU成本進(jìn)一步降低，并且出現(xiàn)單芯片集成三軸陀螺和加速度計(jì)的產(chǎn)品，這也成為促進(jìn)消費(fèi)級(jí)多旋翼出現(xiàn)的關(guān)鍵因素之一。3.第三階段(2005_-2010年):發(fā)展期01研究在2005年之后，越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始關(guān)注多旋翼，并發(fā)表了大量的相關(guān)學(xué)術(shù)文章。此外，一些研究者并不滿足于仿真，于是他們開(kāi)始搭建自己的四旋翼來(lái)驗(yàn)證相關(guān)算法，特別是姿態(tài)控制算法[26,27]。雖然設(shè)計(jì)算法很容易，但是電子商務(wù)在當(dāng)時(shí)并不成熟，也不像今天這樣流行，因此要組裝一架多旋翼并非易事。雖然他們?cè)O(shè)計(jì)出了一些多旋翼，但是這些多旋翼的可靠性并不高。早期研究者將大量時(shí)間用在尋找合適的組件以及整個(gè)飛行器的設(shè)計(jì)和測(cè)試上。因此，一些研究者跳過(guò)了自己搭建多旋翼這項(xiàng)費(fèi)力的工作，直接使用已有的可靠商業(yè)四旋翼和光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)來(lái)搭建測(cè)試環(huán)境。這些研究者利用這些測(cè)試環(huán)境，在室內(nèi)完成了一系列復(fù)雜的任務(wù)[28,29]。3.第三階段(2005_-2010年):發(fā)展期02產(chǎn)品德國(guó)MicrodronesGmbH公司于2005年10月成立，并于2006年4月推出第一代產(chǎn)品MD4-200[如圖119(a)所示]這款產(chǎn)品在短期內(nèi)銷量就超過(guò)250架而2010年該公司推出的MD4-1000四旋翼系統(tǒng)也很快成為了行業(yè)標(biāo)桿。這些產(chǎn)品在商業(yè)市場(chǎng)取得了巨大成功。在2006年10月，德國(guó)人霍爾格·布斯(HlgerBuss)和英戈·巴斯克(IngoBusker)創(chuàng)建了MikroKopter自駕儀社區(qū)，并推出了開(kāi)源自駕儀MikroKopter。4.第四階段(2010--2013年):活躍期01研究2012年2月，賓夕法尼亞大學(xué)的韋杰·庫(kù)瑪(VijayKumar)教授在TED上做了四旋發(fā)展歷史上里程碑式的演講，展示了微型飛行器編隊(duì)的機(jī)動(dòng)能力和協(xié)作能力34]。這場(chǎng)演講向人們揭示了多旋翼的巨大潛能。2012年，美國(guó)工程師協(xié)會(huì)的機(jī)器人和自動(dòng)化雜志(Robotics&AutomationMagazine)出版了一期關(guān)于空中機(jī)器人和四旋翼平臺(tái)的?？搶？偨Y(jié)和展示了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的技術(shù)[3S]。在活躍期期間，還出現(xiàn)了很多開(kāi)源自駕儀，這大大降低了初學(xué)者組裝多旋翼的門檻。表1.3列舉了多旋翼主要開(kāi)源項(xiàng)目。4.第四階段(2010--2013年):活躍期02相關(guān)產(chǎn)業(yè)2010年6月24日iPhone4發(fā)布，它的一大特色是帶有九自由度的運(yùn)動(dòng)感知傳感器包含三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀和電子羅盤(pán)(或三軸磁力計(jì))。這些傳感器在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)感知、游戲、圖像穩(wěn)定、GPS航跡推算、手勢(shì)識(shí)別和其他應(yīng)用中表現(xiàn)出色。伴隨智能手機(jī)技術(shù)的發(fā)展，這些MEMS傳感器得到更多的應(yīng)用，也受到了更廣泛的關(guān)注，因此它們的尺寸、成本和功耗進(jìn)一步降低。另外，由于應(yīng)用廣泛，公司愿意去生產(chǎn)更小巧廉價(jià)的GPS接收機(jī)，在當(dāng)時(shí)，世界上最小的GPS接收機(jī)比一美分還小，僅重0.3克36。智能設(shè)備可以在一定距離內(nèi)通過(guò)WiFi來(lái)控制和接收?qǐng)D像信息。4.第四階段(2010--2013年):活躍期03產(chǎn)品方面如圖1.20(a)所示，ARDrone四旋翼在玩具市場(chǎng)非?；鸨募夹g(shù)和理念也十分先進(jìn)。首先，它采用一個(gè)下視攝像頭來(lái)測(cè)量光流，并采用一個(gè)雙頭超聲波傳感器來(lái)測(cè)量飛行高度。基于速度和高度信息，它可以用算法估計(jì)它的飛行速度，這使得ARDrone四旋翼能夠在室內(nèi)懸停且易于控制。因此，ARDrone的可操控性得到極大提升。其次整個(gè)飛行器輕便小巧并帶有泡沫外殼防護(hù)。這些安全措施保護(hù)了用戶且不易損壞飛行器。不僅如此，ARDrone可以使用手機(jī)或平板電腦來(lái)控制，并且能夠顯示機(jī)載攝像頭實(shí)時(shí)回傳的第一人稱視角畫(huà)面，娛樂(lè)性很強(qiáng)。另外，它提供了軟件開(kāi)發(fā)包，因此研究者可以開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用程序并將其用于學(xué)術(shù)研究。因此，這款產(chǎn)品在學(xué)術(shù)界迅速傳播開(kāi)來(lái)。AR.Drone非常便于操控，在開(kāi)箱幾分鐘后用戶就可以上手讓它飛行。4.第四階段(2010--2013年):活躍期03產(chǎn)品方面在此期間，受ARDrone飛行器成功案例的影響，一些以前只設(shè)計(jì)多旋翼自駕儀的公司開(kāi)始設(shè)計(jì)到手即飛的多旋翼。例如，在2012年年底，大疆發(fā)布了一款四旋翼一體機(jī)一到手即飛的精靈四旋翼Phantom，如圖1.20(b)所示。5.第五階段(2013--2016年):爆發(fā)期01研究這個(gè)時(shí)期，多旋翼的研究偏向自主化和群體化。2013年6月，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的拉斐爾·安德列(RaffaelloDAndrea)教授在TEDGlobal上做了一個(gè)關(guān)于四旋運(yùn)動(dòng)能力的演講，展示了如運(yùn)動(dòng)員一般思考、能根據(jù)被輸入的運(yùn)算法則靈活解決問(wèn)題的四旋翼。2015年6月，《自然》雜志的機(jī)器智能專欄發(fā)表了一篇題為《小型自主無(wú)人機(jī)的科學(xué)、技術(shù)與未來(lái)》的文章[38]。該文章總結(jié)了小型自主無(wú)人機(jī)在設(shè)計(jì)與制造、感知與控制方面的挑戰(zhàn)，并分析了小型無(wú)人機(jī)的未來(lái)研究趨勢(shì)。5.第五階段(2013--2016年):爆發(fā)期01研究為了縱觀多旋翼在學(xué)術(shù)界的發(fā)展，本書(shū)基于ET和SCI數(shù)據(jù)源，以“quadrotor”和“mutirtor”為關(guān)鍵詞進(jìn)行文獻(xiàn)檢索。1990年1月至2020年4月的年發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量如圖1.21所(考慮到審稿周期的耗時(shí)，最近兩年的文獻(xiàn)數(shù)量暫不考慮)。從圖中可以看出，文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量自2010年至今都一直處于高速增長(zhǎng)狀態(tài)，且在2013年前后文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量的凈增長(zhǎng)量迎來(lái)第一波小高峰,后續(xù)在2015-2016年期間迎來(lái)第二波高峰，這些基礎(chǔ)研究為多旋翼產(chǎn)業(yè)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。5.第五階段(2013--2016年):爆發(fā)期02產(chǎn)品2012年年底，大疆發(fā)布到手即飛的精靈四旋翼一體機(jī)。與ARDrone飛行器類似精靈四旋翼易于控制，還可以通過(guò)GPS和高度傳感器保持位置。相比ARDrone飛行器，精靈四旋翼還具有一定的載重能力和抗風(fēng)能力。當(dāng)時(shí)運(yùn)動(dòng)相機(jī)在拍攝極限運(yùn)動(dòng)方面非常流行，因此，裝配有運(yùn)動(dòng)相機(jī)的精靈四旋翼一體機(jī)一經(jīng)推出便迅速在航空攝影市場(chǎng)走紅。極限運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者還將視頻分享到社交網(wǎng)站或者視頻網(wǎng)站，這使得更多人了解多旋翼。《連線》雜志前主編克里斯·安德森(ChrisAnderson)于2012年年底出任3DRobotics公司的首席執(zhí)行官，在3DRobotics的支持下，全世界的志愿者共同為ArduPilotMega(APM)編寫(xiě)了全球通用的飛行控制代碼39,40。APM由很多部件組成，可以支持多種飛行器和平臺(tái)，其中APM的多旋翼部分是由蘭迪·麥凱(RandyMackay)牽頭。5.第五階段(2013--2016年):爆發(fā)期02產(chǎn)品2012年7月，由勞倫茲·邁耶(LorenzMeier)牽頭的PX4團(tuán)隊(duì)在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院宣稱他們開(kāi)發(fā)出可用的PX4多旋翼自駕儀平臺(tái)，很快3DRobotics提供了相應(yīng)的硬件平臺(tái)。2013年8月，PX4開(kāi)源自駕儀開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)與3DRobotics聯(lián)手共同推出Pixhawk.這是一款先進(jìn)的開(kāi)源自駕儀硬件，可以用于多旋翼、固定翼飛行器、地面探測(cè)器和兩棲車等。Pixhawk的設(shè)計(jì)提高了用戶體驗(yàn)和飛行器可靠性，相比當(dāng)時(shí)同類方案，Pixhawk的安全性更高。2013年年底，亞馬遜公司發(fā)布了采用四旋翼送快遞的視頻，該公司希望在未來(lái)五年內(nèi)通過(guò)一個(gè)由四旋翼組成的“PrimeAir”快遞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三十分鐘內(nèi)送貨到家的服務(wù)，這個(gè)想法進(jìn)一步拉近了多旋翼與普通消費(fèi)者之間的距離。在此期間，越來(lái)越多的多旋翼產(chǎn)品開(kāi)始出現(xiàn)。表1.4列舉了一部分從2013年到2015年10月發(fā)布的多旋翼。6.第六階段(2016-2017年):