多旋翼無人機的智能飛行技術發展概況及應用前景

趙渤宇 任飛

摘要：本文介紹了人類歷史上第一架飛機“飛行者一號”，以及多旋翼無人機的基本飛行和控制原理，并概述了多旋翼無人機存在的關鍵技術問題、智能飛行技術的發展現狀以及應用前景。

關鍵詞：飛機、多旋翼無人機、飛控系統、飛行技術、智能化

1. 概述

1903年萊特兄弟在滑翔機的基礎上，制造出了一架具有動力和操縱系統的雙翼飛機 “飛行者一號”，并駕駛它實現了人類首次重于空氣的航空器持續而且可操縱的動力飛行。雖然“飛行者一號”第一次飛行時間僅有12秒，飛行距離約36.6米，但這標志著人類飛行時代的到來。

如今，各種航空飛行器已屢見不鮮，如民航機、戰斗機、軍用無人機、直升機、以及各種廉價的可供人們娛樂的多旋翼航拍無人機與五花八門的固定翼航模。其中多旋翼飛行器結構簡單、成本低廉、容易操控、不需要跑道起飛、并且可在空中穩定懸停，因而其用途越來越廣泛，比如目前四旋翼無人機通常是航拍娛樂、編隊飛行表演、電力巡檢及植物保護等領域的首選飛行器方案、同時多旋翼無人機也在消防滅火、交通運輸、甚至軍事等領域表現出巨大的應用潛力[1-3]。

已上市場的部分多旋翼無人機已經能夠在室外空曠的環境下實現穩定飛行、精準懸停、精確定位、甚至能夠實現一些簡單的自主飛行技術，如自動返航、自動避障、以及自主規劃路線等。然而，隨著人工智能技術的發展以及智能化的市場需求，提高多旋翼無人機的自主飛行或者說智能化飛行技術正當其時。因此，本文對航空器的飛行原理做了簡單的科普介紹，并概括了當前最流行且用途最廣的多旋翼無人機的智能飛行技術的發展現狀及趨勢，以及當前存在的問題。

2. 基本飛行原理

如圖1所示，相比現代飛機人類真正意義上的第一架飛機“飛行者一號”結構非常簡單，主要由一臺重77公斤12馬力的汽油發動機、雙機翼機體、兩個螺旋槳、前置的升降舵、后置的方向舵、連接發動機與螺旋槳的鉸鏈、以及控制升降舵的操縱桿和控制機翼變形及方向舵的傳動裝置組成[4]。發動機驅動兩個螺旋槳以相反的方向旋轉從而使空氣向后流動，根據牛頓第三定律反之機體受到向前的推力，從而使飛機加速。當飛機速度足夠大時，根據伯努利原理，彎曲（橫截面“上凸下平”）的機翼上方的空氣流速大而壓力小，下方的空氣流速小而壓力大，從而使機體產生升力，當升力大于機體和駕駛員總重量時，飛機騰空而起。通過用手調整操縱桿進而控制升降舵，用臀部的橫向移動調整機翼的變形程度和方向舵，從而可以調整飛機的飛行方向和姿態。

“飛行者一號”雖然結構簡單，但其中蘊含的原理依然被使用現代飛機中，比如如圖2所示的民航機的升降舵和方向舵[5]，即使第五代戰斗機如F-22、蘇-57、殲-20，四代機如F-15、蘇-35和殲-15，以及捕食者、翼龍和彩虹等軍用無人機機身上也有“飛行者一號”的影子。值得一提的是，軍用無人機也通常采用汽油發動機驅動螺旋槳作為動力來源，例如如圖3所示的是7月20日在河南執行緊急救災通信任務的軍民兩用無人機“翼龍”[6]。目前民航機和戰斗機大多采用渦扇或渦噴發動機，根據牛頓第三定律，通過渦扇發動機向后噴出高速氣體，可以使機體受到向前的巨大的推力。與火箭發動機相似，高速氣體主要是由燃料燃燒產生的，只不過民航機的航空發動機吸入空氣作為燃料的氧化劑，而火箭發動機則既能攜帶燃料又攜帶氧化劑。戰斗機和民航機發動機的最大區別在于，民航機通常使用大涵道比（外涵道與內涵道空氣流量的比值）渦扇，燃油效率高，而戰斗機通常使用小涵道比的高推力渦扇或渦噴，相對來說燃料效率比較低，某些先進的發動機還具有矢量噴口，即通過改變氣體噴出角度而提高機動性。

與“飛行者一號”及現代民航機和戰斗機不同，多旋翼無人機小巧廉價，不需要特定跑道起飛。多旋翼無人機通常是指含有三個及以上旋翼的無人駕駛飛機。根據多旋翼無人機具有的旋翼數量，可分為四、六、八、十二……旋翼等多種類型，其中四旋翼無人機應用最廣。如圖4和表1所示，可通過每個軸上的電動機驅動槳葉轉動，從而產生推力，通過改變不同槳葉之間的相對轉速而改變相應軸的推進力大小，從而控制飛行器的運行軌跡。如圖4 所示，紅色箭頭代表無人機的朝向，無人機飛行時旋翼（槳葉）M2、M4順時針旋轉，M1、M3 逆時針旋轉而抵消互相產生的作用力使無人機保持穩定，飛行姿態與電機轉速的關系詳見表1[7]。因此，四旋翼無人機的姿態和位置的控制都是通過調節四個驅動電機的轉速而實現的。通常，四旋翼無人機的運動狀態可分為偏航運動、垂直運動、滾動運動、俯仰運動及懸停五種狀態。

如圖5所示，以大疆公司的Mavic Pro四旋翼無人機為例，多旋翼無人機主要由飛行控制系統、動力系統、定位系統、圖傳系統、以及各種傳感器組成。飛行控制系統是無人機的大腦，簡稱飛控，主要由遙控器和無人機中的嵌入式處理器系統構成。動力系統則主要包括電池、電機、電調及槳葉。定位系統主要由GPS、氣壓計、視覺攝像頭及超聲波傳感器組成。圖傳系統主要由一體式云臺相機及2.4GHz 和5.8GHz 的OcuSync圖傳系統組成。慣性測量單元、GPS、氣壓計、電子羅盤、視覺攝像頭、超聲波傳感器等種傳感器采集的數據傳回飛控，經飛控運算處理判斷后并下達指令，最后由動力系統控制無人機的飛行、懸停及姿態變化。

3. 智能飛行技術

3.1 多旋翼無人機研究的關鍵問題

目前市場上的多旋翼無人機在GPS信號良好時可精準定位，在GPS信號欠佳光照條件滿足視覺系統需求時可通過視覺系統定位，然而在GPS信號差或指南針受干擾，且光照條件差不滿足視覺定位要求時，無人機會進入姿態模式無法實現精準懸停甚至飄移，從而容易引起安全事故。因此，發展廉價且更高精度的定位系統依然是多旋翼無人機研究的核心問題之一。此外，隨著通信技術及人工智能的發展，多旋翼無人機的智能化、終端化、集群化必將是發展趨勢。特別是智能飛行技術的發展將進一步降低多旋翼無人機的操控難度、提高無人機的安全性和可靠性，進而擴大多旋翼無人機的應用領域。

3.2 自主飛行技術的發展概況

目前已上市場的部分多旋翼無人機已經能夠在室外空曠等簡單的環境下實現穩定飛行、精準懸停、精確定位、甚至還能實現一些簡單的自主飛行技術，如自動返航、自動避障、以及自主規劃路線等。然而，在復雜環境下，如在存在電磁干擾情況的狹小動態空間中實現無人機的穩定飛行依然具有較大難度，并且現有的自主飛行技術依然非常單一，只能在特定的環境下進行。因此，研發具有高度智能化的可自主作業的多旋翼無人機是重要發展方向之一，這需要飛控可以通過機體搭載的傳感裝置采集的數據實時地進行自動判斷和下達指令[9-11]。

3.3 智能化發展趨勢

隨著人工智能技術、通信技術、嵌入式控制技術以及各種低功耗高精度傳感器的發展，多旋翼無人機將進一步高度智能化，從而進一步降低使用門檻并擴大應用范圍，同時提高安全性和可靠性。目前雖然部分多旋翼無人機已具備避障、自動返航及自主規劃路線等自主飛行技術，但這還遠遠不夠，而且這些技術在復雜環境下還不成熟。例如，目前的自動避障技術主要基于視覺攝像頭和超聲波傳感器采集的數據進行判斷，對于電線等表面積或體積較小的物體難以識別。因此，智能化的發展首先依賴于數據采集傳感器性能的發展，以及低延遲率的無人機通信技術。其次，需要強大算力的嵌入式處理器對傳感器采集的數據進行實時運算處理并下達指令。非常重要且有前途的是，與汽車無人駕駛系統類似，未來高度智能化的多旋翼無人機的控制必將借助強大的深度學習算法，對采集的各種環境下的數據進行歸納學習進而實時做出準確判斷甚至預測，進而極大地提高多旋翼無人機的智能化飛行技術。

4. 智能飛行技術的應用前景

多旋翼無人機已經越來越高度智能化和專業化，智能飛行技術的應用必將極大地推動多旋翼無人機在航拍娛樂、編隊飛行表演、工程測繪、應急廣播、搜尋偵查、電力巡檢、植保農藥、甚至消防救援、物流配送、交通運輸及軍事等領域的應用。此外，多旋翼無人機也將進一步滲透到其它意想不到的領域，例如系留無人機照明為抗疫期間火神山、雷神山醫院的建設提供了夜間作業保障[12]，同時多旋翼無人機在應急廣播、巡邏疏導、防疫宣傳、物資投遞、噴灑消毒等方面發揮了重要作用，為疫情防控提供了重要的科技支持[13]。

5. 總結

多旋翼無人機具有體積小、成本低、靈活性高及穩定的懸停能力等多重天然優勢，相信隨著智能飛行技術的發展，多旋翼無人機將進一步滲透到各個領域，使生活生產所需的飛行工作變得如同鳥兒翱翔藍天一般簡單。

參考文獻

[1]楊薇霖， 周巍. 多旋翼無人機在災害現場救援中的應用[J]. 科技創新與應用， 2020 （15）.

[2]孫嬙， 張志林， 林財徳，等. 基于多旋翼無人機的輸配電線路故障精確測距研究[J]. 電子設計工程， 2021 （13）.

[3]http：//www.360doc.com/content/18/1125/11/39872701_797091057.shtml

[4]https：//en.wikipedia.org/wiki/Wright_Flyer

[5]https：//ryanaircheckintime.blogspot.com/2019/10/aeroplane-wing-flap.html

[6]https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1705952288099620496&wfr=spider&for=pc

[7]白玉. 四旋翼無人機的應用與發展綜述[J]. 廣西農業機械化， 2020 （2）.

[8]大疆創新科技有限公司. Mavic_Pro_用戶手冊 V2.0，2017.

[9]謝兵， 梁孝林， 祁宇明，等. 復雜環境下無人機結構設計與姿態分析[J]. 機械工程師， 2021 （3）.

[10]孫瀾瓊， 易哲菁， 林冬生. 探析多旋翼無人機戰場應用前景[J]. 圖形處理與多媒體， 2018 （9）.

[11]冉劍， 佟佳慧. 基于在線仿真的無人機飛控系統智能校正技術[J]. 南京航空航天大學學報， 2019（6）.

[12]https：//www.sohu.com/a/398376780_354880

[13]https：//mp.weixin.qq.com/s/v1pSXzUQzUAOusGniogyXQ

[14]中央電視臺國防軍事頻道官方微博 https：//weibo.com/6189120710/KpTSNkh1n？type=comment

作者簡介：趙渤宇（2000-），男，滿族，遼寧錦州人，遼寧科技大學本科學生。

通訊作者：任飛（1992-），男，漢族，山西太原人，天津大學博士研究生，郵箱：mrrenfei@163.com