多旋翼無人機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用

陳友鵬　李雷　賴劉生　陳進(jìn)穩(wěn)　蔣超

摘 要：本文根據(jù)無人機(jī)特性介紹了不同類型的無人機(jī)并將其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比。講述了多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)組成要素并且詳細(xì)地介紹了它在不同場景中的用途。最后，根據(jù)多旋翼無人機(jī)整體的對本文作出了相應(yīng)的總結(jié)。

關(guān)鍵詞：多旋翼無人機(jī) 無人機(jī)應(yīng)用 無人駕駛技術(shù)

Features and Applications of Multi-rotor UAV

Chen Youpeng Li Lei Lai Liusheng Chen Jinwen Jiang Chao

Abstract：This article introduces different types of drones according to their characteristics and compares their advantages and disadvantages. It describes the structural elements of the multi-rotor UAV and introduces its use in different scenarios in detail. Finally， based on the overall multi-rotor UAV， a corresponding summary is made.

Key words：multi-rotor UAV， UAV application， unmanned driving technology

1 引言

飛行曾經(jīng)是鳥類獨(dú)有的一種生存能力之一。然而，自從人類發(fā)明了飛行器以來，這種“曾經(jīng)”被打破了，飛行不再為鳥類生物所獨(dú)有了，人類也可以借助外物展示飛行技巧。最近20多年來，隨著無人駕駛技術(shù)在飛機(jī)領(lǐng)域中不斷地發(fā)展，人類又迎來了飛行史上的一個巨大突破——即無人機(jī)技術(shù)[1]。無人機(jī)技術(shù)是一種以無線電遙控或由自身程序控制為主的不載人飛機(jī)技術(shù)。根據(jù)飛行平臺的不同，無人機(jī)可分為多旋翼無人機(jī)，固定翼無人機(jī)，直升無人機(jī)，和其他無人機(jī)。為了更好地認(rèn)識和理解這種新的技術(shù)，本文將根據(jù)多旋翼無人機(jī)特性，淺談一下對多旋翼無人機(jī)的認(rèn)識。

2 多旋翼無人機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)及其特性

無人機(jī)根據(jù)飛行平臺的不同可分為多旋翼無人機(jī)，固定翼無人機(jī)，直升無人機(jī)，和其他類型無人機(jī)[2]。固定翼無人機(jī)類似于普通民航的客機(jī)，其特點(diǎn)是載重量大，續(xù)航時間長，而且制作成本低，技術(shù)要求少。然而固定翼無人機(jī)受場地的局限性很大，無法有效的懸停，因此很難應(yīng)用于民用無人機(jī)領(lǐng)域。直升無人機(jī)類似于直升機(jī)，受場地影響較少，可以有效懸停，并且載荷和航程也比較好，然而直升無人機(jī)具有結(jié)構(gòu)性的缺陷，故障頻發(fā)，而無人機(jī)又無法像載人直升機(jī)一樣有專業(yè)人員進(jìn)行有效控制，導(dǎo)致它十分脆弱，難以操縱。而多旋翼無人機(jī)不僅可以自由懸停，而且成本也不高，可以實(shí)現(xiàn)有效控制。然而，最大的缺點(diǎn)是其載荷小，續(xù)航時間多，使用普通的鋰電池通常一次充滿電耗費(fèi)一小時時間僅能滿足半小時的飛行任務(wù)，這是最大的短板。即便如此，綜合以上多方面的因素考慮，多旋翼無人機(jī)仍然是目前民用無人機(jī)的首選。

3 多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)的組成要素

多旋翼無人機(jī)是一種無人駕駛可以自主飛行的飛行器，系統(tǒng)主要由機(jī)架機(jī)身、動力系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、輔助設(shè)備系統(tǒng)五部分組成。

1.機(jī)架機(jī)身指的是是無人機(jī)本身的組成材料。無人機(jī)的的材料一般選用輕質(zhì)高強(qiáng)的材質(zhì)為主。如樹脂，玻璃纖維，鋁合金等。無人機(jī)的支架數(shù)量指的是無人機(jī)旋翼數(shù)量。如三支架的無人機(jī)即為三旋翼無人機(jī)。一個好的無人機(jī)的設(shè)計(jì)需要無人機(jī)的各個元器件巧妙搭配，安裝合理，使得整體穩(wěn)定，利于飛行。

2.動力系統(tǒng)指的是無人機(jī)中驅(qū)使無人機(jī)進(jìn)行飛行提供能源的部件。常見的有油動和電動二種設(shè)計(jì)。目前主流的設(shè)計(jì)方案皆是以電動為主。電動無人機(jī)有電機(jī)，電調(diào)和電池三部分。次啊用的能源基本上以鋰電池為主的供能方案。由于無人機(jī)自重太大不利于飛行，所以通常鋰電池不敢做的太大。一般500g的鋰電池充能一小時，可以為無人機(jī)提供半小時的飛行動力。

3.飛控系統(tǒng)指的是無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)[3]。在無人機(jī)自主飛行這段時間，將由飛控軟件提供對無人機(jī)飛行的控制操作，以保障整個無人機(jī)飛行過程中定位導(dǎo)航，數(shù)據(jù)記錄以及飛行安全。飛控系統(tǒng)包括了飛控軟件，主控芯片以及飛行控制器，加速器，氣壓計(jì)，傳感器以及地磁儀等等用于定位，飛行，數(shù)據(jù)記錄以及飛行控制的設(shè)備。飛控系統(tǒng)是無人機(jī)中最重要的一環(huán)，決定了無人機(jī)飛行的質(zhì)量。

4.遙控系統(tǒng)是無人機(jī)中用于遙控的設(shè)備。主要由遙控器、接收器、解碼器、伺服系統(tǒng)組成。這些配置使得當(dāng)無人機(jī)需要人為進(jìn)行操作的時候，給予了相應(yīng)的人工操作權(quán)限。對無人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控的方法如下：通過遙控器發(fā)射信號給無人機(jī)上的接收器。接收器接收到信號以后會進(jìn)行解碼，隨后，伺服系統(tǒng)將會根據(jù)解碼的內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的操作。

5. 輔助設(shè)備系統(tǒng)是無人機(jī)核心設(shè)備以外的的其他設(shè)備。如云臺，相機(jī)，圖像傳輸系統(tǒng)。云臺在無人機(jī)上的作用是十分重要的[4]，它有三個自由度。無人機(jī)在飛行的時候難免會出現(xiàn)顛簸和抖動，當(dāng)抖動發(fā)生的時候，云臺會根據(jù)抖動的方向配合陀螺儀施加一個相反的作用力。使得無人機(jī)保持平衡，不會顛簸。這對無人機(jī)飛行攝影來說意義重大。只有滿足了這個前提，無人機(jī)才能實(shí)現(xiàn)航拍的功能。有了相機(jī)和無線圖像傳輸系統(tǒng)的配合，無人機(jī)就可以在飛行中進(jìn)行拍攝的作業(yè)，并把圖像實(shí)時傳送給遠(yuǎn)程接受圖像的電腦。

4 多旋翼無人機(jī)的應(yīng)用

多旋翼無人機(jī)可以說是無人機(jī)應(yīng)用的領(lǐng)域的大熱門[5]。在個人消費(fèi)領(lǐng)域，個人可以通過使用多旋翼無人機(jī)進(jìn)行個人攝影，并且無人機(jī)的使用可以讓拍出來的照片達(dá)到意想不到的角度，例如拍攝幾百層的高塔或者大樓，去海邊拍攝長長的海岸線和海浪，甚至夜間潛行到地下隧道深處。只有使用無人機(jī)才可以自由通行和飛躍各種不同的角度和位置來獲取所需的圖片。無人機(jī)另外一個大市場是無人機(jī)類的玩具。這些科技感十足的小玩意也成為孩子們的新寵，通常一個不到千元的價(jià)格，就可以擁有一個自動追蹤自動返航，自由拍攝的“大黃蜂”，這些產(chǎn)品不僅豐富了孩子們的想象力，滿足了他們對當(dāng)今“時髦”科技的好奇心，并且激期了他們在探索科學(xué)的興趣，因此深受學(xué)齡兒童的喜愛。在工程應(yīng)用領(lǐng)域，多旋翼無人機(jī)作用更加強(qiáng)大。以前，人在森林中行走，對于煙頭，火柴等物件都要額外注意。這些小物件很可能一不小心就會帶來牢獄之災(zāi)。往往天干低燥的時候，一點(diǎn)點(diǎn)小小的火苗就會引來森林大火。如今，隨著無人機(jī)的發(fā)展，森林火災(zāi)已經(jīng)不多見了，并且火宅產(chǎn)生的損失也會盡可能地降至最低。因?yàn)槿缬錾只鹫瑹o人機(jī)將會代替人類深入森林重地進(jìn)行高空滅火，他們舉辦嫻熟的技術(shù)（專業(yè)的救火程序），精湛的技藝（高性能芯片）將會在火宅中大顯身手。并且再也不用擔(dān)心救援人員出現(xiàn)“生命危險(xiǎn)”了。種植農(nóng)作物，多旋翼無人機(jī)也是一把好手，它可以進(jìn)行農(nóng)藥高空噴撒，而且可以完全按照要求均勻噴射，不必?fù)?dān)心少噴或者多噴的情況發(fā)生。在文體娛樂中，無人機(jī)還可以同步實(shí)時轉(zhuǎn)播節(jié)目，如一些體育賽事，激烈碰撞的體育賽事往往人類攝影師無法第一時間捕捉精彩鏡頭，然而通過多布置多個不同的無人機(jī)在不同的角度同步拍攝，總是能查漏補(bǔ)缺，稍加處理，總是能捕捉到許多細(xì)節(jié)，把握經(jīng)常瞬間。在地圖測繪方面，無人機(jī)顯然更強(qiáng)，與它相比，又有誰能觀察與拍攝出最真實(shí)的地理地貌，并把它按照一定的比例轉(zhuǎn)化成地圖做的更出色呢？在軍事中，無人機(jī)通常可以晝伏夜出，執(zhí)行偵察，破壞和電子對抗的任務(wù)[6]。甚至無人機(jī)的出現(xiàn)，就是源于一個軍事上的天才設(shè)想，誰能想到戰(zhàn)場上無人機(jī)突然襲擊敵方側(cè)翼，投擲大量彈藥毀壞重要軍事?lián)c(diǎn)，即便不幸喪命，損失也不過是一些“廢鐵”罷了，這個偉大的創(chuàng)意正是無人機(jī)被發(fā)明出來使用的源動力[7]。如果無人機(jī)在戰(zhàn)爭中得以大量使用，未來戰(zhàn)爭的格局都將被改變。

5 總結(jié)

無人機(jī)是當(dāng)今社會一個大熱門。不僅僅是因?yàn)槠涔δ軓?qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)功能，滿足社會的需求，更是因?yàn)樗娲闹黧w是“人”，所以可以深入險(xiǎn)地，進(jìn)行危險(xiǎn)作業(yè)，而不用擔(dān)心安全問題出現(xiàn)人員損失，產(chǎn)生后顧之憂。多旋翼無人機(jī)由于其自由懸停，價(jià)格相對低廉，控制方便的特點(diǎn)，成為一般無人機(jī)的首選[8]。然而目前多旋翼無人機(jī)最大的缺點(diǎn)是續(xù)航的問題，如果這個問題能解決，無人機(jī)未來的市場必將大放光彩。

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