多旋翼无人机研究现状与发展趋势探讨

2016-09-20管宇峰任淑红

赤峰学院学报·自然科学版 2016年16期

关键词：旋翼飞行器

代　君，管宇峰，任淑红

（1.郑州航空工业管理学院；2.中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南　郑州　450001）

多旋翼无人机研究现状与发展趋势探讨

代君1，管宇峰2，任淑红1

（1.郑州航空工业管理学院；2.中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南郑州450001）

随着微电子技术，计算机技术的飞速发展，多旋翼无人机受到了人们的极大关注，成为近几年来的研究热点，国内外各大科研院校、商业公司、军事机构都对其进行了深入的研究.本文对多旋翼无人机发展过程进行了介绍，列举了国内外一些具有代表性的多旋翼无人机科研项目，对多旋翼无人机发展的关键技术进行了总结，并对多旋翼无人机未来发展趋势进行了概括.

多旋翼；无人机；发展

引言

多旋翼无人机是一种能够垂直起降的无人直升机，其发展历史最早可以追溯到1907年，当时Breguet兄弟Louis和Jacque在法国科学家Charles Richet的指导下，设计制造了世界上第一架有人驾驶的多旋翼飞机—“旋翼机一号”.如图1所示，这架飞机加上飞行员总重为578kg，飞行器的框架由四个长长的焊接钢管支架组成，并按水平十字交叉形式分布.四个旋翼处于框架的对角线位置，其中一对按顺时针方向旋转，另一对按逆时针方向旋转，动力装置为一台36.7千瓦的发动机，它是通过驾驶员控制油门来对其进行控制，但是由于当时的技术限制，他们无法实现飞机的控制，从那以后人们将目光转向直升机和固定翼飞机，一直到二十世纪九十年代，多旋翼的发展就一直处于停滞状态.而二十世纪九十年代以后随着MEMS技术、无刷电机技术、微处理技术的发展，小型多旋翼无人机又重新进入人们的视野，成为各大科研机构研究的热点.

图1　Breguet-Richet的“GyroplaneNo1”油动多旋翼无人机

多旋翼无人机根据旋翼的数目可以分为四旋翼、六旋翼、八旋翼等类型，还有一些特殊造型的多旋翼无人机，其最大特点就是具有多对旋翼，并且每对旋翼的转向相反，用来抵消彼此反扭力矩.图2是一架典型的四旋翼无人机结构简图，四个旋翼呈十字交叉结构，（在“+”字型工作模式下）旋翼1、3沿逆时针方向转动，旋翼2、4沿顺时针方向转动，这样四个旋翼产生的反扭力矩可以相互抵消，通过改变四个旋翼的转速就可以实现俯仰、滚转、航向和高度通道的控制.

图2　四旋翼无人机结构简图

多旋翼无机人相较于其它无人机具有得天独厚的优势，与固定翼飞机相比，它具有可以垂直起降，可以定点盘旋的优点；与单旋翼直升机相比，它采用无刷电机作为动力，并且没有尾桨装置，因此具有机械结构简单、安全性高、使用成本低等优点.多旋翼无人机的诸多优点使它在以下领域获得了广泛的应用：

教育科研领域应用，多旋翼无人机的研究涉及到自动控制技术、MEMS传感器技术、计算机技术、导航技术等，是多科学领域融合研究的一个理想平台；

航拍领域应用，利用多旋翼无人机搭载相机设备（可见光相机/红外相机），并配备图像传输系统，被人们称为“可飞行的相机”已被广泛的应用于影视航拍、电力巡线、测绘等行业；

军事领域应用，多旋翼无人机搭载侦查设备快速飞行到危险区域执行侦查任务，为作战人员提供战场信息，是单兵作战的理想装备；

农业领域应用，利用多旋翼无人机替代人进行喷洒农药，具有成本低、效率高，减少农药对人体伤害等优势；

快递行业应用，利用多旋翼无人机运送快递具有节约人力成本，且速度快不受地面交通限制的优点，美国的亚马逊，中国的顺丰都在对多旋翼运送快递进行测试，美国达美乐披萨店，已在英国成功地空运了首个披萨外卖.

多旋翼无人机的巨大优点、广阔的应用前景使它成为无人机研究领域的一个热点，各大科研机构以都掀起了一股多旋翼研究的热潮，而商业应用多旋翼无人机也遍地开花，从实验室走向国民经济的各项领域，以下对多旋翼无人机发展现状以及一些典型的多旋翼无人机进行介绍.

1　国内外研究现状

1.1瑞士联邦科技学院OS4四旋翼无人机

OS4是EPFL自动化系统实验室开发的一种电动小型四旋翼飞行器.他们研究的重点是飞行控制算法的开发，目标是实现多旋翼无人机室内外完全自主的飞行.目前该机构已经开发出一种称为IntegralBackstepping的控制算法，该算法兼具PID算法和Backstepping算法的优点，并已成功实现OS4无人机的悬停、起飞与降落.

图3　OS4实验平台

OS4项目下一步计划：改善执行机构的带宽使其具有更快的响应速度；增强视觉传感器的探测能力并采用滤波算法将惯性导航传感器与视觉导航传感器数据进行融合；将IMU模块集成到控制板上，并且在机载处理器上完成视觉导航数据的处理.

1.2斯坦福大学STARMAC四旋翼无人机

斯坦福大学的STARMAC（StanfordTestbedof AutonomousRotorcraftforMulti-AgentControl）多旋翼无人机项目有两个研究方向：微型多旋翼飞行器和最小代价分布式协同搜寻控制技术.

图4　Mesicopter微型多旋翼无人机

1.3澳大利亚国立大学X-4Flyer多旋翼无人机

X-4Flyer是澳大利亚国立大学研制的大载重量多旋翼无人机，其质量为4kg,载重量达到1kg. X-4Flyer如图5所示.

图5　X-4Flyer多旋翼无人机

1.4商业多旋翼无人机

大疆“悟”多旋翼无人机搭载一台具有1276万像素的高清相机，具有视觉导航功能，能实现室内无GPS情况下稳定悬停；大疆MG-1农业植保机是一款实现防尘、防水、防腐蚀的工业级设计产品，每小时作业量可达40至60亩，作业效率是人工喷洒的40倍以上.

图6　大疆“悟”多旋翼无机/MG-1农业植保机

德国microdronesGmbH成立于2005年10月，其产品是工业级多旋翼无人机的代表，最新产品md4-3000最大起飞重量达到15公斤，标准载荷3公斤的情况下可持续飞行45分钟，最大巡航速速度达到16米/秒.

图7　md4-3000多旋翼无人机

1.5开源无人机项目

开源多旋翼无人机项目有MicroCopter,Paparazzi,AutoQuad,OpenPilot,MWC,KK,APM,PX4等，这其中最出名、使用人数最多的就是美国3DR公司推出的APM开源飞控.

图8　Pixhawk飞控硬件和MissionPlanner地面站软件

ArduPilotMeg简称APM，是一款开源自驾仪，它支持固定翼、直升机、旋翼机等机型.而pixhawk是苏黎世理工大学开发的一款自动驾驶仪，2013年两者合作，3DR公司将APM飞控代码移植到pixhawk硬件，因此pixhawk飞控硬件可以运行两套飞控程序，即APM飞控程序和苏黎世理工大学开发的原生程序.

2　多旋翼无人机发展关键技术

微电子技术以及计算机技术的发展使得多旋翼无人机的研究取得了飞速的进展，但多旋翼的发展还面临着诸多关键技术的挑战，目前有以下几方面：

2.1多旋翼无人机的精确建模

对多旋翼无人机进行精确建模是设计高性能控制器的前提，但由于多旋翼本身复杂的结构特性和飞行过程中的多种物理效应的影响，因此目前的研究基本上建立了相对简化的模型.欲建立多旋翼精确的数学模型，低雷诺数条件下的空气动力学问题、柔性旋翼气动性能参数的测量技术和模型的测量和验证方法等问题还需进一步解决.

2.2能源与动力系统

多旋翼无人机一般使用锂电池作为动力，飞行时间一般在30分钟左右，载重量从几百克到几公斤，续航时间和载重量成为制约多旋翼无人机发展的一个重要因素，因此,研制更轻、更高效的动力与能源装置是多旋翼飞行器的关键.

2.3飞行控制系统

多旋翼飞行器是一个具有六自由度和4个控制输入 (旋翼转速)的欠驱动系统(Underactuated System)，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性，使得飞行控制系统的设计变得非常困难.此外，控制器性能还将受到模型准确性和传感器精度的影响.姿态控制是多旋翼无人机控制系统核心，国内外当前研究表明先进姿态控制算法由于模型不确定性等因素，其控制效果反而不如PID控制器，或者只在特定的环境下具有较好的控制效果.因此，研究一种适宜多旋翼无人机飞行控制算法是十分关键的.

2.4定位、导航与通信

多旋翼无人机一般工作在室内、隧道、城区等复杂环境中，因此存在定位、导航与通信方面的问题.一方面，在室内、隧道或城市楼宇等环境中，GPS由于信号的遮挡常常不能正常工作，需要综合惯导、光学、声学、雷达和地形匹配等定位与导航技术；另一方面，多旋翼的飞行环境复杂，干扰源多，若要实现通信链的可靠性、安全性和抗干扰性则需要增加通信链路的功率，这样势必会增加通信系统的重量.因此，研制体积小、重量轻、功耗低、稳定可靠和抗干扰的通信设备对微小型多旋翼飞行器技术(尤其是多飞行器协同飞行技术)的发展而言，是十分关键的.

3　多旋翼无人机未来发展趋势

多旋翼无人机的发展不断朝着智能化，集成化发展，未来的多旋翼无人机飞行动力及能源问题将会得到解决，利用燃料电池、太阳能电池或者油动发动机，其续航时间将会大大增加；其飞行控制系统将是一个集成导航、通信、自动控制的飞行芯片，运用更高级的控制算法，实现多旋翼无人机在复杂环境下自主决策和自主控制；微型多旋翼无人机与大型多旋翼飞机并驾齐驱发展，其中大型多旋翼飞机能搭载更多的任务设备甚至实现载人飞行.