多旋翼飛行器：從原理到實踐-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？

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

機協(xié)同再到集群控制。伴隨著技術(shù)的突飛猛進，無人機在結(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最新發(fā)展的設(shè)計結(jié)構(gòu)，

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

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)勢下，多旋翼無人機在民用領(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，多旋翼無人機的結(jié)構(gòu)設(shè)計也發(fā)生

的諸多變化，不再是簡單地增加旋翼數(shù)量和擴大軸距，比如加裝籠式裝置既保護了無人機的

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

荷以適應(yīng)多場景；設(shè)計專用消防無人機來彌補傳統(tǒng)消防器材的不足……總之，科技發(fā)展的促

進和行業(yè)應(yīng)用的倒逼將會促使無人機技術(shù)邁向更高的臺階。

多旋翼無人機的新設(shè)計

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

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

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

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

有異構(gòu)設(shè)計，比如雙旋翼無人機、多棲多旋翼無人機。

1.1籠式多旋翼無人機

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

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

或螺旋槳損壞的風險。這種設(shè)計適用于檢測發(fā)電廠的鍋爐、大型壓力容器、貨倉液罐等密封、

危險、無照明的空間。圖1為瑞士Elios可碰撞無人機。

1.2可折疊多旋翼無人機

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[2],遇到不同形狀的空間或

者洞口，可以改變旋翼臂與機身的角度來改變無人機的形狀，以進入目的地。該型采用四個

微處理器單獨控制四個螺旋槳，可以實時適應(yīng)臂的任何新位置，隨著直心的移動調(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

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

可以360度旋轉(zhuǎn)的機械臂上，保證這款無人機能夠在空中隨時調(diào)整飛行方向，實現(xiàn)全向飛行,

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

在實際中常用于基礎(chǔ)設(shè)施檢查工作。

1.4帶機械臂多旋翼無人機

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

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

危等場所，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所，減少人力投資，提

高工作效率。美國SkyMul公司的SkyTy無人機配有可移動的機械爪，可自動捆扎交叉的鋼

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

1.5固定翼-多旋翼復(fù)合式無人機

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

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

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

使無人機垂直起飛；在平飛巡航階段，推力或拉力螺旋槳啟動，為無人機提供前飛動力，機

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

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

場地的要求，解決了多旋翼無人機續(xù)航時間不足的問題。

1.6尾座式多旋翼無人機

尾座式多旋翼無人機是多旋翼與固定翼無人機的組合。尾座式多旋翼無人機起飛時機頭朝上,

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

此時多旋翼為無人機提供前飛動力。尾座式多旋翼無人機在起飛和巡航飛行時均使用同一套

動力系統(tǒng)，沒有多余的〃死重”，為無人機預(yù)留較多的有效載荷，同時在起飛時旋翼氣流也不

會與機翼相互干擾；其缺點也比較明顯，在起飛和降落時，底部氣流紊亂，副翼作用不明顯，

受側(cè)向風影響較大，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。

(2)消費級多旋翼無人機提供了航拍的廉價解決方案，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，例如機場、港口、學(xué)校、醫(yī)院和重要軍事基地等，請設(shè)計一套反無人

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

備對本區(qū)域其他無人機設(shè)備的干擾問題，以及需要針對不同數(shù)量和大小的目標無人機設(shè)

計不同的應(yīng)對方案。

略。

5.參考9.4節(jié)中新發(fā)展的五個特性，請進一步豐富9.4節(jié)提出五個性質(zhì)的新內(nèi)涵，或給

出近幾年發(fā)展的新特性，并進行分析。

補充新內(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無人機

是當前強勁需求。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)工程是對系統(tǒng)工程活動口建模方法應(yīng)用的正式

認同，以使建模方法支持系統(tǒng)要求、設(shè)計、分析、驗證和確認等活動，這些活動從概念性設(shè)

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

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

數(shù)量的增加，安全系數(shù)標準或適航標準必然成為一個準入門檻。

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

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

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

多旋翼無人機可以在無衛(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發(fā)展到單人控制多機。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)備的維護性。集群無人系統(tǒng)可擴展性較強，根據(jù)任務(wù)的

難易程度可以通過增減無人機數(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

擔，與此同時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的數(shù)量是目前的幾

倍甚至數(shù)十倍。對于分布式自主集群來說，如何使得一群無人機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。

4.有序性

有序性體現(xiàn)在個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會對地面設(shè)

施、公共安全、空中載人飛行器等帶來危害。交通管控是通過對整個低空的無人機運行安全

和風險進行評估，同時對低空的無人機進行有效的規(guī)劃，保證它們合理有序的飛行，從而促

進無人機行業(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。為

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

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

航空安全局(EASA)提出建立公共無人機飛行系統(tǒng)U-Space以及中國的無人機運行管理(UAS

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

增長的無人機行業(yè)應(yīng)用需求，亦可作為有人機自動化演進的重要技術(shù)途徑，實現(xiàn)中國航空業(yè)

的快速發(fā)展，成為世界各國進入航空強國的重要途徑。

5.多樣性

多樣性體現(xiàn)在從單一形態(tài)的多旋翼無人機發(fā)展到多功能多形態(tài)的多旋翼無人機，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。這也給無人機多樣性創(chuàng)造了更多的條件。多樣化的另外的一個條件是載荷和接口

的標準化，這一塊一直得到了各國的重