�
  • �
  • �
  • �
  • �
  • �
您当前的位置:首页 > 航飞知识

多(duō)旋翼爆红的成因

 

沉寂期:1990年以前

早在1907年,法国C.Richet教授指(zhǐ)导Breguet兄弟进行了他们的旋翼式(shì)直升机的飞行试验,如图1a,这(zhè)是有记录以来最早(zǎo)的构型。第一(yī)架成功飞行的垂直起降型四旋(xuán)翼飞行器(qì)出现在20世纪(jì)20年代(dài),但那时几乎(hū)没有人会用到它。1920年(nián),E.Oemichen设计了第一个四旋翼飞(fēi)行器(qì)的(de)原型,但是第一次尝试空运时失败了(le)。

之后在1921B.G.De在美国俄亥(hài)俄(é)州西南部城市代顿的(de)美国空军部建造(zào)了另(lìng)一架如图1c的大型四旋翼直升机,这(zhè)架四旋翼飞机(jī)除飞行员(yuán)外可(kě)承载3人,原本期望的飞行高(gāo)度是100米(mǐ),但是最(zuì)终(zhōng)只飞到5米的高度。E.Oemichen的(de)飞机在经过(guò)重新设计之后(如下图(tú)b所示),于(yú)1924年实现了起飞并创造了当时直(zhí)升机领域的世界纪录,该(gāi)直升(shēng)机首次实现了14分钟的飞行(háng)时间。E.OemichenB.G.De设计的四(sì)旋翼(yì)飞行器都是靠垂直于主旋翼的螺旋桨来推(tuī)进,因此(cǐ)它们都不是真正的四旋翼(yì)飞行(háng)器。

早期四旋(xuán)翼飞行器的设计受困于(yú)极差的发动机性能(néng),飞(fēi)行高(gāo)度仅仅能达到(dào)几米,因此在(zài)接下来(lái)的30年(nián)里,四旋翼飞行(háng)器的(de)设计没有取得多少进(jìn)步。直到1956年,M.K.Adman设计的第一架真正的四旋(xuán)翼飞行器Convertawings ModelA”试飞取得巨大成功,这架飞机重达1吨,依靠两个(gè)90马力的发动机实(shí)现(xiàn)悬停和机动(dòng),对飞(fēi)机的控制不再(zài)需(xū)要垂直于主旋翼的螺旋桨,而是通过改(gǎi)变主旋翼的推力来实现(xiàn)。然而,由于操作这架飞机的工作量繁(fán)重,且(qiě)飞机在速度(dù)、载(zǎi)重量、飞行范(fàn)围、续(xù)航性等方面无法(fǎ)与传统(tǒng)的飞行器竞争,因此人(rén)们对此失去了进一步(bù)研究的兴趣,该研究(jiū)被迫停止。

在(zài)20世纪50年代,美国陆军继(jì)续测(cè)试各种垂直起降(jiàng)方案。Curtiss-Wright是被(bèi)邀(yāo)请参与研制(zhì)了VZ-7和杠杆燃气涡轮(lún)机的几家公司之一,杠杆燃(rán)气涡轮机(jī)的出现(xiàn)提(tí)高了(le)VZ-7的功率(lǜ)与重量比。因此(cǐ),VZ-7被称作“Flying Jeep”,如图(tú)(e)所示,其有(yǒu)效载重(chóng)量(liàng)为250千克,靠(kào)425马力的杠杆(gǎn)燃气(qì)涡轮发(fā)动机驱动。VZ-7的测试在1959年至1960年期间得到实现。虽然它相对稳定,但是(shì)它未(wèi)能达到军方对高度(dù)和速度的要求,该(gāi)计划并没有得到更进(jìn)一步的推行。

1990年以前,惯性导航体积重量过(guò)大(dà),动力系统(tǒng)载荷也不够,因(yīn)此当时多旋翼设计得很大(dà)。正如前面分析的,大尺寸的多(duō)旋翼(yì)并没有那么大优势,与多旋翼相比(bǐ),固定(dìng)翼和直升(shēng)机更适合发展大(dà)尺(chǐ)寸。在(zài)此之后的(de)30年(nián)中,四旋翼飞行器的(de)研发没有取得(dé)太大的(de)进(jìn)展,几近沉(chén)寂。

复苏期:1990年至2005

20世纪90年代之(zhī)后,随(suí)着微机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)研究的(de)成熟,重量只有几克(kè)的MEMS惯性导航系统被开发运用,使制作多旋翼飞行器(qì)的自动控制器(qì)成为现实(shí)。此外,由于四旋翼飞(fēi)行器的概念与军事试验渐行(háng)渐远,它开始(shǐ)以独特(tè)的方式通过遥控玩具(jù)市场进(jìn)入消费(fèi)领域。

虽然MEMS惯性导航系(xì)统已被(bèi)广泛应用,但是MEMS传(chuán)感器数据噪音(yīn)很大,不(bú)能直接读取并(bìng)使用,于是人们又花费大量的时间研究(jiū)去除噪声的各种数学算法。这些算法以及自动(dòng)控制器(qì)本身通常需要运算速度较(jiào)快的单片(piàn)机,可(kě)当时的单片(piàn)机运算速度有限,不足以满足需求(qiú)。接着科研人员又花费若(ruò)干年理解多旋翼飞行(háng)器的非线(xiàn)性系统结构,并为其(qí)建模、设计控制算法、实(shí)现控制方(fāng)案。因此,直到(dào)2005年左右,真正(zhèng)稳(wěn)定的多旋翼无人机自动(dòng)控制(zhì)器才被制作出(chū)来。

起步期:2005年至2010

在生产制(zhì)造方面,德国Microdrones GmbH2005年成立,2006年(nián)推出的md4-200四旋翼(如图(tú)a)系统开创了电(diàn)动四旋(xuán)翼在专业领域应用的先河,2010年推出的md4-1000四旋翼(yì)无人(rén)机系(xì)统,在全球专业无人机市场取得(dé)成功。另外,德国人(rén)H.BussI.Busker2006年主导(dǎo)了一个(gè)四轴(zhóu)开源项(xiàng)目,从飞控到电调等全部开源,推出了四(sì)轴飞行(háng)器最具(jù)参考的自驾仪Mikrokopter2007年,配(pèi)备Mikrokopter的四(sì)旋翼像“空中(zhōng)的钉子”一般停留在空中。很快(kuài)他们又进一(yī)步增加了组件(jiàn),甚(shèn)至使它半(bàn)自主飞行(háng)。美(měi)国Spectrolutions公司在2004年推(tuī)出Draganflyer IV四旋翼(如下图b),并随后在2006年推出(chū)了(le)搭载SAVS(稳定航拍(pāi)视频系统)的版本(běn)。

在学(xué)术方(fāng)面,2005年之后(hòu)四旋翼(yì)飞行器继续快速发展,更多的(de)学术研究(jiū)人员开始研究多旋翼,并搭(dā)建自己的四旋翼。

之前一直被各种技术瓶颈限制(zhì)住的多旋翼飞行器(qì)系(xì)统瞬间被炒得火热(rè),大家惊(jīng)喜(xǐ)地(dì)发现居然有这样一(yī)种小巧、稳定、可(kě)垂直起降、机械结构简单的飞行器的存(cún)在。一时间研究者蜂拥而(ér)至,纷纷开始多旋(xuán)翼飞行器的(de)研发和使用(yòng)。而国(guó)内的爱好者(zhě)也纷纷(fēn)研究,并(bìng)开设论(lùn)坛。虽然多(duō)旋翼的算法(fǎ)易(yì)懂,但(dàn)组装一架多旋翼却不是一件容(róng)易(yì)的(de)事情。在早期研究(jiū)阶段,科研人员把很多(duō)时间都花(huā)在(zài)了飞行器的组装调试环节。然而,有能力开发工艺的(de)人往往(wǎng)缺乏对飞控的深入了解,一(yī)般只是复现国外的技术(shù),谈不上进(jìn)一步对(duì)系统进行(háng)改进。当时既掌握(wò)飞控技术又精通(tōng)多旋翼(yì)工艺(yì)的经常是那些原来从事(shì)固定(dìng)翼或(huò)直升机飞控的公司。德国Microdrones虽(suī)然较早地推(tuī)出产品,但是工业级的四旋(xuán)翼的价格对于普通(tōng)消费者来说简直是遥不(bú)可及。除此之外,消(xiāo)费(fèi)级的Draganflyer 四旋翼之所以没有推广是(shì)因为其操(cāo)控性及娱乐性不(bú)强(qiáng)(智能手(shǒu)机(jī)或平版电脑还尚未普及(jí))、二次开发能力(lì)弱(ruò)以及销(xiāo)售渠道窄(当时电商网络处于初步发展阶(jiē)段)。

复兴期:2010年(nián)至(zhì)2013年(nián)

经过(guò)6年努力(lì)(2004年(nián)至2010年(nián)),法国(guó)Parrot公(gōng)司于(yú)2010年推出消费级的AR.Drone四旋翼玩(wán)具,从而开启了多(duō)旋翼消费的新时代(dài)。AR.Drone四旋翼在玩具市场非常成功,它(tā)的技术和理念也十分领先。

第一,它采用(yòng)光流技术,能(néng)够测量(liàng)飞行器(qì)速度,使(shǐ)得AR.Drone四旋翼(3a)能(néng)够在室内悬停。

第二,可以(yǐ)做到一键起飞,操控(kòng)性得到极(jí)大(dà)提升。

第三,它采用手(shǒu)机、平(píng)板电(diàn)脑或(huò)笔记本电(diàn)脑控(kòng)制,视频能够(gòu)直接(jiē)回传至电脑,娱乐感较强(qiáng)。

第四,整个飞行(háng)器为一体机,并带(dài)有防护装置(zhì),比(bǐ)较(jiào)安全(quán)。

第五,AR.Drone开放了(le)API接口,供(gòng)科研人员开(kāi)发应用。

AR.Drone的成功也引(yǐn)发了一些自(zì)驾仪(yí)研发(fā)公司的思考(kǎo)。两年后,大疆(jiāng)推出的小精(jīng)灵Phantom一体机正是借(jiè)鉴了其设计理念。伴(bàn)随着苹果(guǒ)在iphoness上大量(liàng)应用加速计(jì)、陀螺仪、地磁传感器等,MEMS惯性传感器从2011年开始大规模兴起,6轴、9轴的惯性传感器也逐渐(jiàn)取代了(le)单个(gè)传感器,成本和功耗进一步(bù)降低,成本仅为(wéi)几美元(yuán)。另外GPS芯片仅(jǐn)重0.3克,价(jià)格不到5美元。WiFi等通信(xìn)芯(xīn)片被用于控制和(hé)传输图像信息,通信(xìn)传(chuán)输速度和(hé)质(zhì)量已经可以充(chōng)分满足几百米的传(chuán)输需求(qiú)。同时,电池(chí)能(néng)量密度不(bú)断增加,使无人机在(zài)保持较轻的重量下,续(xù)航时间达到15-30分钟,基本(běn)满足日常的应用需求。近年来(lái)移(yí)动(dòng)终端同样促进了锂电池、高像素摄像头性能的急(jí)剧提升和成本下降(jiàng)。这些都(dōu)促进(jìn)了多旋翼更进一步(bù)发展(zhǎn)。

与此同时,学术界也(yě)开始高度关注多旋翼技术。20122月,宾夕(xī)法尼(ní)亚大学的 V.Kumar 教授在 TED大会上做出了四旋翼飞行(háng)器发展(zhǎn)历史(shǐ)上里程碑(bēi)式的演讲,展(zhǎn)示了四旋翼的灵活(huó)性以及(jí)编队协作能力。这一场充满数(shù)学公(gōng)式的(de)演讲大受欢(huān)迎,它让世(shì)人看到(dào)了多旋翼的内在潜(qián)能。

2012年,美国工(gōng)程师协(xié)会(huì)的机器人和自动化杂(zá)志(Robotics & Automation Magazine,IEEE)出(chū)版(bǎn)空中机器人和四旋翼(Aerial Robotics and the Quadrotor)专刊,总结(jié)了(le)阶段性成果,展示了当时最先进的技术。在这期间,之前(qián)不具备(bèi)多旋翼(yì)控(kòng)制功能的开源自驾仪(yí)增加了多(duō)旋翼这一功(gōng)能,同时也有新的开源自驾仪不(bú)断(duàn)加(jiā)入,这(zhè)极大地降低了初学者的(de)门槛,为多旋翼产业发展装上了翅膀。

爆发期:2013年至今

2012年初,大(dà)疆(jiāng)推出小精灵(líng)Phantom一体机。PhantomAR.Drone一样控制简便(biàn),初学者很快便可上手。同时,价格也能被(bèi)普通消费者接受。相比AR.Drone四旋(xuán)翼飞行器,Phantom具备一定的抗风性能、定位功能和载重能力,还可(kě)搭载小型相机。当(dāng)时利用Gopro运动相机拍摄极限(xiàn)运动已(yǐ)经(jīng)成为欧美年(nián)轻人竞相追逐的时尚潮流(liú),因(yīn)此Phantom一体机一经推出便迅速走(zǒu)红。

连(lián)线杂志主编C.Anderson2012年年底担任3D Robotics公司CEO,该(gāi)公司于20138月推出Iris遥控四旋(xuán)翼飞行器,于2014推出X8+四旋翼飞行(háng)器,并很快于2015年推出Solo四旋翼飞行器。

1600.jpg

咨(zī)询(xún)航拍服务可加昆明劲(jìn)鹰无(wú)人机(jī)飞控手老鹰(yīng)的微信laoyingfly

相(xiàng)关文章
云南_日韩精品一区二区三区四区和骏鹰航空科技有(yǒu)限公司 版(bǎn)权所有(yǒu)
联(lián)系人:高先生(shēng)
电话(huà)(微(wēi)信):18208826648
地址:昆(kūn)明市西福路_日韩精品一区二区三区四区和骏鹰航空科技园
网站(zhàn)备(bèi)案号: 滇(diān)ICP备19003830号-1
�

微信咨询.png