常見飛行器通常被分為固定翼、直升機和多旋翼(四旋翼最為主流)。在2010年之前,固定翼和直升機無論在航拍還是航模運動領域,基本上佔有絕對主流的地位。然而,在之後的幾年中,因優良的操控性能,多旋翼迅速成為航拍和航模運動領域的新星,但這仍然需要專業人員調試或裝配飛機。
2012年底,中國大疆公司推出四旋翼一體機——小精靈Phantom。因該產品極大地降低了航拍的難度和成本,獲得了廣大的消費群體,成為迄今為止最熱銷的產品。之後短短兩年間,圍繞著多旋翼飛行器相關創意、技術、產品、應用和投資等新聞層出不窮。目前,多旋翼已經成為微小型無人機或航模的主流。比如在2015年剛閉幕的中國國際模型博覽會和農業展覽會上,我們隨處可見多旋翼的身影。隨著大疆產品的走熱、各種相關技術的不斷進步、開源飛控社區的推動、專業人才的不斷加入,以及資本的投入等等因素,多旋翼技術得到迅猛地發展。
對於目前多旋翼產品,一般分半自主控制方式和全自主控制方式。半自主控制方式是指自動駕駛儀的控制算法能夠保持多旋翼飛行器的姿態穩定(或定點)等,但飛行器還是需要通過人員遙控操縱。在這種控制方式下,多旋翼屬於航模。全自主控制方式是指自動駕駛儀的控制算法能夠完成多旋翼飛行器航路點到航路點的位置控制以及自動起降等。在這種控制方式下,多旋翼屬於無人機,而地面人員此時進行任務級的規劃。作為無人機,多旋翼飛行器可以在無人駕駛的條件下完成複雜空中飛行任務和搭載各種負載任務,可以被看作是“空中機器人”。
# 多旋翼無人機的優勢——簡單好用輕鬆教會女朋友
正所謂沒有對比就沒有傷害,在評價一樣東西好壞的時候,我們最常用的方法就是進行對比,對於多旋翼無人機而言,他的主要“競爭對手”有固定翼無人機和無人直升機。
在低空航拍領域,除了大範圍/遠距離測繪之外,固定翼無人機並沒有凸顯出任何優勢,相比於多旋翼或是直升機,固定翼無人機需要跑道或者彈射起飛裝置,要求較高。此外,固定翼無人機無法以較低的速度在較低的空域飛行,這就限制了它在航拍領域的作用。
因而,在本文的比較中,多旋翼無人機的主要對比對象實則是功能與其更接近的無人直升機,下文就進行兩者的主要對比工作。
## 操縱原理簡單
多旋翼的操縱原理很簡單,操控器四個遙感操作對應飛行器的前後、左右、上下和偏航方向的運動。在自動駕駛儀方面,多旋翼自駕儀控制方法簡單,控制器參數調節也很簡單。相對而言,學習直升機的飛行可不是一件簡單的事情。直升機飛行過程中會產生通道間耦合,自駕儀控制器設計困難,控制器調節也很困難。
## 可靠性高
多旋翼的結構相比於直升機要簡單很多。從旋翼系統來說,多旋翼的“旋翼”實則就是空氣螺旋槳,並且不存在總距或者週期變距的變化,更不存在揮舞運動,機械連接部件因而會比較簡單,簡單的結構使其可以被設計得相當可靠。而直升機就不一樣了,其旋翼不僅存在總距杆、週期變矩杆,還會產生揮舞運動,而揮舞運動與變距運動及直升機姿態變化運動相耦合,槳葉因而產生複雜的變形,這就對槳葉及其機械聯接、傳動機構的設計要求更高,使得直升機的可靠性設計更難,無法做到多旋翼那般高的可靠性。
## 可維護性好
同樣是因為多旋翼的結構簡單,其電機、電調、電池、螺旋槳或者是機架損壞了,維修、更換都很簡單,新手都能做到。但直升機就不一樣了,斷了根週期變矩杆的話,不上個專業人士,這機器多半就報廢了。
# 多旋翼無人機的劣勢——並不是啥都好,不然還要直升機幹啥
## 續航性能弱
續航能力弱一向都是多旋翼無人機的劣勢,主要還是由於多旋翼拉力的變化是通過直接改變旋翼轉速來實現的,這就註定了其能量轉換效率要遠遠低於通過改變槳距的直升機旋翼要來得低,雖然也有研究機構——比如南京航空航天大學的設計團隊——嘗試過把多旋翼設計成變距的,但就拿常規四旋翼來說,一套旋翼一組變距機構,太複雜了,直升機一套旋翼變距機構就使得其飛控難度比多旋翼難上一個檔次,這一下來四套,畫面太美,不敢想象。
## 負載能力低
負載能力低也是多旋翼無人機的一個弱點。這主要是由於雖然多旋翼有四個旋翼,但是與相同尺寸的直升機相比,其總的旋翼槳盤面積還是要小很多,相同拉力下槳盤載荷就會大很多,對應的功率需求就更大,因而負載能力就會弱得多。
# 多旋翼無人機的未來——依賴於相關學科新技術的發展
## 動力技術
動力技術的革新主要在於新型電池的研發(例如鋁電池、氫電池等)以及混合動力(通過燃油發動機產生電量驅動旋翼旋轉)等方面。但是有些新構型多旋翼也考慮了一些比如地面供電(電纜線)或者無線充電解決方案等思路。
## 導航技術
導航技術的發展直接影響了無人機定位的精度,對於無人機的飛行控制等都有著重要作用,目前來說除了GPS定位之外,還會採用多信息源定位方式,來彌補傳統定位方式的不足。
## 避障技術
隨著人工智能技術的發展,避障技術也得到了長足的進步。現在的視覺分析可謂進展神速,後期無人機的自主避障能力應該會有極大改進。此外,無人機避障技術還有不少仿生技術應用的前景,比如聲吶系統避障技術(模擬蝙蝠和海豚)。
總的來說,多旋翼無人機的未來主要還是以需求為導向,不同的任務場景將需要搭載不同的設備,對於多旋翼無人機硬件平臺的建設也提出了更高的要求。近期常常在某些問答平臺上看到是否存在“多旋翼無人機”徹底取代“直升機”的問題,可以說,從目前來看,這還是不可能的。只能說各有各的好,隨著技術的更迭,更可能出現交叉耦合互相學習借鑑的情況。