多旋翼飛行器：從原理到實(shí)踐-習(xí)題及答案

第9章展望

1.參考9.1節(jié)列舉的多旋翼新設(shè)計(jì)人類，能否列舉和分析己有人類中多旋翼的新發(fā)展？

此外，能否列舉和分析這些大類之外的新設(shè)計(jì)？

多旋翼無人機(jī)經(jīng)歷十年的高速發(fā)展，已經(jīng)從單一場(chǎng)景應(yīng)用向廣域場(chǎng)景蔓延，從單機(jī)飛行到多

機(jī)協(xié)同再到集群控制。伴隨著技術(shù)的突飛猛進(jìn)，無人機(jī)在結(jié)構(gòu)上不斷迭代創(chuàng)新，在載荷上持

續(xù)推陳出新，以適應(yīng)行業(yè)發(fā)展的需求。本文首先介紹了多旋翼無人機(jī)最新發(fā)展的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，

然后羅列了多旋翼無人機(jī)在各行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景，最后描述了多旋翼無人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

自多旋翼飛行器的誕生至今已有百年之久，但科研人員在多旋翼飛行器上的探索卻沒有停止。

近年以來，在技術(shù)、材料和制造等方面的極速發(fā)展態(tài)勢(shì)下，多旋翼無人機(jī)在民用領(lǐng)域和軍用

領(lǐng)域應(yīng)用逐漸廣泛，備受青睞。為適應(yīng)行業(yè)發(fā)展的新需求，多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也發(fā)生

的諸多變化，不再是簡(jiǎn)單地增加旋翼數(shù)量和擴(kuò)大軸距，比如加裝籠式裝置既保護(hù)了無人機(jī)的

旋翼又避免旋翼割傷損壞周圍的人員和物品；通過改裝使機(jī)體結(jié)構(gòu)模塊化，方便更換任務(wù)載

荷以適應(yīng)多場(chǎng)景；設(shè)計(jì)專用消防無人機(jī)來彌補(bǔ)傳統(tǒng)消防器材的不足……總之，科技發(fā)展的促

進(jìn)和行業(yè)應(yīng)用的倒逼將會(huì)促使無人機(jī)技術(shù)邁向更高的臺(tái)階。

多旋翼無人機(jī)的新設(shè)計(jì)

多旋翼無人機(jī)的形態(tài)設(shè)計(jì)已經(jīng)多種多樣，但新的結(jié)構(gòu)形式仍在不斷涌現(xiàn)。多旋翼無人機(jī)的新

設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在無人機(jī)本身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，比如可折疊多旋翼無人機(jī)、全向多旋翼無人機(jī)等，

也體現(xiàn)在無人機(jī)外部加裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，比如帶機(jī)械臂多旋翼，還有多旋翼與固定翼的復(fù)合形

態(tài)設(shè)計(jì)，比如垂直起降固定翼無人機(jī)、尾座式多旋翼無人機(jī)、升力翼多旋翼無人機(jī)，同樣還

有異構(gòu)設(shè)計(jì)，比如雙旋翼無人機(jī)、多棲多旋翼無人機(jī)。

1.1籠式多旋翼無人機(jī)

為解決多旋翼無人機(jī)帶來的安全性問題，設(shè)計(jì)者研發(fā)了籠式多旋翼，將多旋翼放置于一個(gè)籠

式結(jié)構(gòu)中，即使無人機(jī)在飛行過程中發(fā)生失誤，由于有保護(hù)籠裝置，可以有效降低人身傷害

或螺旋槳損壞的風(fēng)險(xiǎn)。這種設(shè)計(jì)適用于檢測(cè)發(fā)電廠的鍋爐、大型壓力容器、貨倉液罐等密封、

危險(xiǎn)、無照明的空間。圖1為瑞士Elios可碰撞無人機(jī)。

1.2可折疊多旋翼無人機(jī)

瑞士的蘇黎世大學(xué)和研究組EPFL合作開發(fā)的自適應(yīng)折疊無人機(jī)[2],遇到不同形狀的空間或

者洞口，可以改變旋翼臂與機(jī)身的角度來改變無人機(jī)的形狀，以進(jìn)入目的地。該型采用四個(gè)

微處理器單獨(dú)控制四個(gè)螺旋槳，可以實(shí)時(shí)適應(yīng)臂的任何新位置，隨著直心的移動(dòng)調(diào)整螺旋槳

的推力，始終保證穩(wěn)定的飛行，如圖2所示。

1.3全向多旋翼無人機(jī)

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研發(fā)的全向多旋翼無人機(jī)原型采用了12個(gè)旋翼[3],而且每個(gè)都安裝在

可以360度旋轉(zhuǎn)的機(jī)械臂上，保證這款無人機(jī)能夠在空中隨時(shí)調(diào)整飛行方向，實(shí)現(xiàn)全向飛行,

如圖3所示。全向無人機(jī)在實(shí)際場(chǎng)景較為廣泛，由于它可以穿梭于一些比較窄小的縫隙中，

在實(shí)際中常用于基礎(chǔ)設(shè)施檢查工作。

1.4帶機(jī)械臂多旋翼無人機(jī)

帶機(jī)械臂多旋翼無人機(jī)是在無人機(jī)上加裝可執(zhí)行一定的動(dòng)作、完成相應(yīng)工作的無人機(jī)，這種

無人機(jī)主要利用了多旋翼無人機(jī)動(dòng)作靈活、飛行穩(wěn)定和體型較小等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于高空高

危等場(chǎng)所，以代替人工執(zhí)行任務(wù)，也可以應(yīng)用于人員不便工作的場(chǎng)所，減少人力投資，提

高工作效率。美國(guó)SkyMul公司的SkyTy無人機(jī)配有可移動(dòng)的機(jī)械爪，可自動(dòng)捆扎交叉的鋼

筋。技術(shù)人員還可使用半自動(dòng)的界面來驗(yàn)證所放置鋼筋的網(wǎng)格間距和安放精度。

1.5固定翼-多旋翼復(fù)合式無人機(jī)

復(fù)合式多旋翼無人機(jī)又稱垂直起降固定翼無人機(jī)，這種無人機(jī)是在固定翼兩側(cè)機(jī)翼的前后方

各安裝一個(gè)螺旋槳（通常為4個(gè)），為無人機(jī)提供垂直起降所需升力，在機(jī)尾或機(jī)頭部位安

裝推力或拉力螺旋槳，提供平飛巡航階段的動(dòng)力。在起飛階段，兩側(cè)機(jī)翼的螺旋槳提供升力,

使無人機(jī)垂直起飛；在平飛巡航階段，推力或拉力螺旋槳啟動(dòng)，為無人機(jī)提供前飛動(dòng)力，機(jī)

翼兩側(cè)的螺旋槳將停轉(zhuǎn)并固定在最小阻力位置，降低平飛階段的阻力。復(fù)合式多旋翼無人機(jī)

兼顧了多旋翼無人機(jī)的垂直起降性能與固定翼飛行器的平飛高效特性，降低了無人機(jī)對(duì)起降

場(chǎng)地的要求，解決了多旋翼無人機(jī)續(xù)航時(shí)間不足的問題。

1.6尾座式多旋翼無人機(jī)

尾座式多旋翼無人機(jī)是多旋翼與固定翼無人機(jī)的組合。尾座式多旋翼無人機(jī)起飛時(shí)機(jī)頭朝上,

機(jī)身四周的多旋翼為無人機(jī)提供升力，待無人機(jī)起飛到預(yù)定高度，無人機(jī)改為機(jī)頭向前平飛，

此時(shí)多旋翼為無人機(jī)提供前飛動(dòng)力。尾座式多旋翼無人機(jī)在起飛和巡航飛行時(shí)均使用同一套

動(dòng)力系統(tǒng)，沒有多余的〃死重”，為無人機(jī)預(yù)留較多的有效載荷，同時(shí)在起飛時(shí)旋翼氣流也不

會(huì)與機(jī)翼相互干擾；其缺點(diǎn)也比較明顯，在起飛和降落時(shí)，底部氣流紊亂，副翼作用不明顯，

受側(cè)向風(fēng)影響較大，容易傾倒。

2.參考9.2節(jié)列舉的多旋翼新發(fā)展，能否列舉和分析最近幾年多旋翼的新發(fā)展？

快速發(fā)展的原因：

(1)MEMS器件的成熟以及批量生產(chǎn)帶來的低成本優(yōu)勢(shì)。

(2)消費(fèi)級(jí)多旋翼無人機(jī)提供了航拍的廉價(jià)解決方案，使其大眾化，打破了傳統(tǒng)航拍影視

行業(yè)的格局。

(3)APM及PIXHAWK等開源飛控的日益成熟。

3.參考9.3節(jié)列舉技術(shù)和設(shè)備，能否列舉和分析最近幾年相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的新發(fā)展？

略。

4.給定一片區(qū)域，例如機(jī)場(chǎng)、港口、學(xué)校、醫(yī)院和重要軍事基地等，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一套反無人

機(jī)的方案，包括部署位置、設(shè)備和反制方式等，需要保證經(jīng)濟(jì)可行。提示:需要分析設(shè)

備對(duì)本區(qū)域其他無人機(jī)設(shè)備的干擾問題，以及需要針對(duì)不同數(shù)量和大小的目標(biāo)無人機(jī)設(shè)

計(jì)不同的應(yīng)對(duì)方案。

略。

5.參考9.4節(jié)中新發(fā)展的五個(gè)特性，請(qǐng)進(jìn)一步豐富9.4節(jié)提出五個(gè)性質(zhì)的新內(nèi)涵，或給

出近幾年發(fā)展的新特性，并進(jìn)行分析。

補(bǔ)充新內(nèi)涵：

1.安全性

安全性正從硬件可靠性發(fā)展到軟硬件適航性。目前要發(fā)展的載人飛行和城市中的貨運(yùn)無人機(jī)

是當(dāng)前強(qiáng)勁需求。多旋翼屬于小型的復(fù)雜系統(tǒng)，應(yīng)該從系統(tǒng)工程的角度設(shè)計(jì)保障飛行的安全。

《系統(tǒng)工程2020年愿景》中，給出了“基于模型的系統(tǒng)工程【Model-BasedSystems

Engineering,MBSE)”的定義：基于模型的系統(tǒng)工程是對(duì)系統(tǒng)工程活動(dòng)口建模方法應(yīng)用的正式

認(rèn)同，以使建模方法支持系統(tǒng)要求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng)，這些活動(dòng)從概念性設(shè)

計(jì)階段開始，持續(xù)貫穿到設(shè)計(jì)開發(fā)以及后來的所有的壽命周期階段。擬在利用先進(jìn)的系統(tǒng)建

模語言代替自然語言，從而消除不確定性、歧義性和不可計(jì)算性等。隨著未來多旋翼無人機(jī)

數(shù)量的增加，安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)或適航標(biāo)準(zhǔn)必然成為一個(gè)準(zhǔn)入門檻。

2.自主性

自主性集中體現(xiàn)在從程序控制發(fā)展到以視覺感知為主的自主智能控制。近年來，多旋翼無人

機(jī)的視覺系統(tǒng)伴隨著深度學(xué)習(xí)理論及機(jī)載計(jì)算芯片得到了極大的發(fā)展，主要從事識(shí)別、跟蹤、

環(huán)境地圖感知、位置獲取等等，極大地提高了無人機(jī)的自主能力。通過智能自主感知，使得

多旋翼無人機(jī)可以在無衛(wèi)星導(dǎo)航環(huán)境下跟蹤物體以及躲避障礙物，提升安全性。如何界定多

旋翼的自主性，目前沒有統(tǒng)一的描述。

3.集群性

集群性集中在多人控制單機(jī)發(fā)展到單人控制多機(jī)。集群性是一種化整為零的問題解決思路,

它極大提高了任務(wù)解決的可靠性和設(shè)備的維護(hù)性。集群無人系統(tǒng)可擴(kuò)展性較強(qiáng)，根據(jù)任務(wù)的

難易程度可以通過增減無人機(jī)數(shù)量來適配集群。此外集群性是另外八維度降低操作人員負(fù)

擔(dān)，與此同時(shí)可以更高效完成給定的任務(wù)。少量操作人員可以控制無人機(jī)的數(shù)量是目前的幾

倍甚至數(shù)十倍。對(duì)于分布式自主集群來說，如何使得一群無人機(jī)像螞蟻和蜜蜂一樣協(xié)同工作,

依然是目前科研人員研究的方向，這也必然成為未來的趨勢(shì)。

4.有序性

有序性體現(xiàn)在個(gè)體無序飛行到有序飛行的交通管控。大量無序飛行的低空無人機(jī)會(huì)對(duì)地面設(shè)

施、公共安全、空中載人飛行器等帶來危害。交通管控是通過對(duì)整個(gè)低空的無人機(jī)運(yùn)行安全

和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)對(duì)低空的無人機(jī)進(jìn)行有效的規(guī)劃，保證它們合理有序的飛行，從而促

進(jìn)無人機(jī)行業(yè)的健康發(fā)展。然而，民航空中交通管理不能適應(yīng)未來數(shù)以百萬架的無人機(jī)。為

了適應(yīng)新的特點(diǎn)，世界各國(guó)針對(duì)低空無人機(jī)空中交通管理開發(fā)了新框架。包括美國(guó)的無人機(jī)

系統(tǒng)交通管理框架UTM(UnmannedAircra代SystemTrafficManagement),歐盟委員會(huì)和歐洲

航空安全局(EASA)提出建立公共無人機(jī)飛行系統(tǒng)U-Space以及中國(guó)的無人機(jī)運(yùn)行管理(UAS

OperationManagement,UOM)系統(tǒng)。無人機(jī)交通管理技術(shù)的研發(fā)與落地，不僅能夠滿足不斷

增長(zhǎng)的無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用需求，亦可作為有人機(jī)自動(dòng)化演進(jìn)的重要技術(shù)途徑，實(shí)現(xiàn)中國(guó)航空業(yè)

的快速發(fā)展，成為世界各國(guó)進(jìn)入航空強(qiáng)國(guó)的重要途徑。

5.多樣性

多樣性體現(xiàn)在從單一形態(tài)的多旋翼無人機(jī)發(fā)展到多功能多形態(tài)的多旋翼無人機(jī)，適應(yīng)不同的

應(yīng)用需求。通過不斷地改變多旋翼形態(tài)，可以克服目前多旋翼無人機(jī)的諸多不便。另外，不

斷深挖應(yīng)用需求，通過配置不同載荷，滿足不同需求。隨著移動(dòng)終端的興起，芯片、電池、

慣性傳感器、通信芯片等產(chǎn)業(yè)鏈迅速成熟，成本下降，使載荷迅速向更加小型化、低功耗的

設(shè)備邁進(jìn)。這也給無人機(jī)多樣性創(chuàng)造了更多的條件。多樣化的另外的一個(gè)條件是載荷和接口

的標(biāo)準(zhǔn)化，這一塊一直得到了各國(guó)的重