我是無人機小飛手

在人類航空史上，多旋翼飛行器從概念到應用，經歷了一段漫長的發展過程。近年來，多旋翼飛行器受到人們越來越多的關注和重視，掀起了一股研發和廣泛應用的熱潮。特別是消費級微型和小型多旋翼無人機，其操作簡單、價格便宜，更適宜普及推廣。現在，世界各地有成千上萬架多旋翼無人機在完成形形色色的工作任務。

當前，圍繞多旋翼飛行器相關創意、技術、產品、應用和投資層出不窮，而隨著產品的火爆，多旋翼技術的發展更是迅猛，已成為微小型無人機的主流結構。下面我們就一起來看一看，多旋翼飛行器是如何發展起來的。

一、早期的多旋翼飛行器

18世紀后期，蒙哥爾費熱氣球的成功升空開創了人類飛行的新時代。1903年，世界上第一架重于空氣、有動力、可操控的飛機誕生，拉開了人類近代航空發展史的序幕。1907年，法國布雷蓋兄弟制造了最早的四旋翼飛行器，雖然它只飛了幾英尺高，且飛行穩定性很差、無法控制，但該機的出現仍標志著人類在旋翼機領域的成功嘗試。1922年，美國人喬治試驗了名叫“飛行章魚（FlyingOctopus）”的四旋翼飛行器，最大飛行高度5米，留空時間2分45秒，但其穩定性依然不好，未能滿足軍方的要求。1956年，柯蒂斯-懷特公司為美國陸軍設計了VZ-7四旋翼飛行器，并交付給軍方兩架原型機。雖然這款飛機的飛行相對穩定，卻依然沒有達到軍方對飛行高度和速度的要求，故該計劃未能進一步推進。此后50年過去了，盡管通過世界各國科學家的不斷探索，四旋翼飛行器在技術上有了一些進步，但還是不能滿足軍事方面的要求。

從20世紀初開始，直升機的發展進入探索期，包括多旋翼在內的各種試驗性機型相繼問世。最終，單旋翼帶尾槳式直升機成為至今最流行的形式。到20世紀后期，傳統構型的直升機技術問題基本解決，進入了航空實用期。其應用領域不斷擴展，數量迅速增加。而多旋翼構型則被慢慢冷落。

此后十幾年，多旋翼直升機的技術都沒有什么進展。究其原因，主要有三個問題：首先是系統本身不穩定，導致飛行員的負擔太重；其次是發動機技術不能滿足要求，油門反應速度慢；第三是這種飛行器運動主要依賴于螺旋槳速度的即時改變，而這種方式不宜推廣到大尺寸機型上。

二、多旋翼無人機的興起

20世紀90年代后期，電子科技迅速興起，制造技術和加工精度也大幅提高，這使多旋翼飛行器的研發有了良好的技術保障。

多旋翼飛行器的快速發展首先歸功于自動控制理論、多旋翼動力學模型、非線性估計算法、非線性控制算法和MEMS微機電產品的發展，特別是20世紀90年代末，重量只有幾克的MEMS器件被大規模生產。多旋翼系統所需要的陀螺儀、加速度計、壓力傳感器、GPS模塊等技術都進入成熟期。其次是電池技術取得了較大突破。1991年索尼公司發布了首個商用鋰離子電池，使電池的儲能能力提升了兩三倍，為多旋翼飛行器的興起提供了動力支持。第三則得益于磁性材料、電子控制和生產工藝的進步，微電機產品向著大轉矩、小尺寸、高控制精度、低功耗、長壽命和低成本的趨勢發展，微小型電機進入了快速發展期。

自此，小型多旋翼無人機所需要的技術均已走向成熟。2005年，越來越多的科研人員開始研究多旋翼飛行器，并嘗試搭建試驗平臺、研發和使用多旋翼無人機。2012年初，大疆創新科技公司推出了“精靈”一體機。因其飛行控制簡單，初學者很快就能上手，而且價格也能被普通消費者接受，一時間用“精靈”搭載GoPro運動相機拍攝極限運動成為年輕人競相追逐的時尚潮流。至此，多旋翼飛行器在火爆的航模消費市場中完成了自己的逆襲。

三、多旋翼無人機的主要特點

傳統直升機主旋翼的旋轉力矩會使機身扭轉，為了平衡這個力矩，直升機的尾部通常裝有一個能提供反力矩的尾槳，而多旋翼飛行器的螺旋槳均勻分布在機體的四周并處于同一高度平面，且螺旋槳的結構和半徑都相同。正是由于采用了這種對稱式結構設計，因此各個螺旋槳之間的扭力矩相互抵消，為簡化控制系統帶來了便利。

多旋翼無人機可以完成復雜的空中飛行任務并搭載多種設備。它通常包含飛控導航系統、動力系統、飛行平臺、地面站、任務系統和鏈路系統6部分。常見的多旋翼布局有四旋翼、六旋翼、八旋翼，也有超過十旋翼的。一般來說，旋翼數越多，能提供的升力越大。而且，一旦某個旋翼發生故障，通過關閉對稱方向上的旋翼，多旋翼無人機還能穩定飛行。然而旋翼數越多，飛行器上所需要的設備越多，結構越復雜，因此需要綜合考慮。

多旋翼無人機的動力源主要是鋰聚合物電池。相比燃油發動機，電機的機械噪聲和震動小，但續航能力會受到一定的限制。此外，多旋翼機無人機還有以下幾個特點。

（1）可垂直起降、懸停、側飛、倒飛，飛行穩定，易于編隊、協作完成任務；

（2）體積小、重量輕、噪聲小、隱蔽性好，適合多平臺、多空間使用；

（3）冗余度高、安全性好，旋翼數大于6的多旋翼飛行器自身有容錯功能，在旋翼單一或成對出現故障時仍能安全降落；

（4）槳葉多采用固定螺距，易于制造，飛行危險性小；

（5）整體結構簡單，相比傳統主流直升機更易于維護、經濟性較高。