四旋翼無人機設計

王典++王玲

摘要：本文以四旋翼輕型民用無人機設計為主旨，主打實用化、多功能化，并結合模塊化設計使消費者根據自身的使用用途，可以有更多更全面的的選擇配件的方式，既可以實現通過搭配不同配件實現一機多用的目的，又可以幫助消費者節省更多不必要花費的資金。多功能能的應用可以實現民用高空拍攝、救援取景等多方面作業。

關鍵詞：無人機；人機互動；模塊化；多功能；航拍

1.無人機歷史簡介

隨著民用無人機全新應用場景不斷涌現，這一市場的潛在規模正在急速擴容。近期京東已展開無人機送貨測試，未來將有望將無人機用于農村電商“最后一公里”的配送中。這意味著，此前一直被外界認為是“高端玩具”的民用無人機，正在突破“發燒友追捧”的發展階段，開始逐漸應用于更多實用場景。關行業報告指出，無人機產業未來十年成長空間廣闊，其市場規模在千億元級別；芯片、傳感器、電池等產業鏈上下游的成長潛力同樣不容小覷。隨著無人機應用領域的不斷擴大，其全產業市場規模則有望攀高至3000億元左右。構報告預測，無人機市場規模將在未來幾年迅猛增長，未來5年硬件產品復合年增長率將超過50%，而軟件和服務的增長率則有可能翻番。下圖為2011年-2015年百度無人機指數。無人機發展至今已經有近100年的歷史，一直以來，受到技術、政策等因素的限制，無人機發展速度一直比較緩慢而且主要集中軍事領域，而最近幾年，無人機，特別是民用無人機得到了前所未有的機遇。事實上，新的無人機應用場景不斷涌現，已經引起了產業界和投資界的關注。國內外產業人士和投資機構普遍認為，隨著無人機應用領域的多樣化，其潛在市場規模將持續擴大。

2.無人機的類別及特點優勢

無人機是無人駕駛飛機的簡稱（Unmanned Aerial Vehicle），是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置的不載人飛機，包括無人直升機、固定翼機、多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機。廣義地看也包括臨近空間飛行器（20-100公里空域），如平流層飛艇、高空氣球、太陽能無人機等。從某種角度來看，無人機可以在無人駕駛的條件下完成復雜空中飛行任務和各種負載任務，可以被看做是“空中機器人”。

按照不同平臺構型來分類，無人機可主要有固定翼無人機、無人直升機和多旋翼無人機三大平臺（如圖表所示），其它小種類無人機平臺還包括傘翼無人機、撲翼無人機和無人飛船等。固定翼無人機是軍用和多數民用無人機的主流平臺，最大特點是飛行速度較快；無人直升機是靈活性最強的無人機平臺，可以原地垂直起飛和懸停；多旋翼（多軸）無人機是消費級和部分民用用途的首選平臺，靈活性介于固定翼和直升機中間（起降需要推力），但操縱簡單、成本較低。

3.無人機關鍵設計分析

3.1、無人機結構和組成分析

無人機也稱為多旋翼飛行器，包括如下部分：

與固定翼無人機相比，多軸飛行器的飛行更加穩定，能在空中懸停。主機的硬件結構及標準的遙控器的結構圖如下圖。其只是標準產品的解剖圖，有些更加高級的如針對航模發燒友和航拍用戶們的無人機系統，還會要求有云臺、攝像頭、視頻傳輸系統以及視頻接收等更多模塊。

3.2各類材料在無人機上的應用

縱觀國外無人機（包括中、高空無人偵察機、無人作戰飛機等），無一例外地大量使用了復合材料結構，有些甚至是全復合材料結構，因此以復合材料為核心的無人機結構設計、制造技術是影響無人機發展的關鍵技術之一。據統計，目前世界上各種先進無人機的復合材料用量一般占機體結構總重的60% ～80%，復合材料的總用量可達90%以上。目前，復合材料在無人機領域已成為主要結構材料，如昆明勁鷹無人機使用碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料、蜂窩夾層復合材料等，復合材料的耐腐蝕性能，可滿足無人機惡劣環境下長儲存壽命的特殊要求，降低使用維護的壽命周期成本。再次，復合材料易植入芯片或合金導體形成智能材料、結構。

4.無人機產業政策

軍民融合助力“無人機”概念早已提出。有關無人機民用的消息，早在2014年就已接連不斷地出現在公眾面前，吸引了大量眼球。如無人機在多部影視作品拍攝，Google和Facebook競相收購無人機資產布局全球互聯網等等，當時的火熱情景帶來了此后幾年無人機產業快速發展。就在前一段時間，美國方面發布消息稱正研究智能意識無人機。諸多消息的集中涌現使得“無人機”成為短期熱門關鍵詞。

其實，無人機在今年火熱絕不是突然興起的，其除了年初受中國民用航空局發布的《輕小無人機運行規定（試行）》政策影響外，軍民融合政策的進一步落實也是推動無人機產業發展的關鍵，而國務院最新發布的《關于2016年深化經濟體制改革重點工作的意見》，更是對無人機的發展帶來利好環境條件。今年3月初，國家領導人提出要把軍民融合發展上升為國家戰略，在此之后，明顯可看到軍民融合步伐的明顯加快。3月25日，中共中央政治局審議通過了《關于經濟建設和國防建設融合發展的意見》，這是繼國防科工局發布《2016年國防科工局軍民融合專項行動計劃》之后又一助推軍民融合深度發展的重磅政策。

5.無人機產業有望迎來爆發元年

從大疆創新宣布即將在中日韓同步發售MG-1農業植保機，到騰訊在2016年度發布會上正式發布首款無人機產品“空影YING”，再到美研發智能意識無人機等等，諸多消息的發酵和在國內軍民融合政策的驅動下，我國無人機產業有望在2016年迎來爆發。

在無人機領域，目前除了軍用無人機體現出無人機市場的主要價值外，隨著飛行控制芯片小型化與低成本化趨勢加強，民用與消費級無人機商業價值也在凸顯中。有機構預測，未來5年民用與消費級無人機兩大領域年均復合增長率將保持在19%以上。長江證券（000783，股吧）認為，“在未來3～5年時間里，擺在國內無人機廠商面前的是全球消費級市場及國內工業級市場，而且對于國內市場，工業級應用潛力更大”。面對未來千億無人機產業空間，國內相關企業很可能會進一步加大投資力度，而在政府的相關制度力推下，特別是低空管制即將放開的預期影響，2016年很可能會成為國內無人機產業的爆發元年。機構認為，無人機消費級和工業級市場值得關注。其中，農業植保領域有望在政策支持和適合的商業模式下率先爆發，電力、油氣領域批量采購也或將在年內啟動。

參考文獻：

[1]李威、郭權鋒，碳纖維復合材料在航天領域的應用，中國光，2011.06。