多旋翼为何在众多飞行器中凸显

发布时间:2018-12-14 08:30        点击次数:

  

       烟台沐晨文化小编说说为何在常见飞行器中直升机、固定翼和多旋翼中,多旋翼为何在众多飞行器中凸显。在2010年之前,固定翼和直升机无论在航拍还是航模运动领域,基本上占有绝对主流的地位。然而,在之后的几年中,因优良的操控性能,多旋翼迅速成为航拍和航模运动领域的新星,但这仍然需要专业人员调试或装配飞机。

  2012年底,中国大疆公司推出四旋翼一体机——小精灵Phantom。因该产品极大地降低了航拍的难度和成本,获得了广大的消费群体,成为迄今为止zui热销的产品。之后短短两年间,围绕着多旋翼飞行器相关创意、技术、产品、应用和投资等新闻层出不穷。目前,多旋翼已经成为微小型无人机或航模的主流。比如在2015年刚闭幕的中国国际模型博览会和农业展览会上,我们随处可见多旋翼的身影。随着大疆产品的走热、各种相关技术的不断进步、开源飞控社区的推动、专业人才的不断加入,以及资本的投入等等因素,多旋翼技术得到迅猛地发展。

  对于目前多旋翼产品,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动驾驶仪的控制算法能够保持多旋翼飞行器的姿态稳定(或定点)等,但无人机还是需要通过人员遥控操纵。在这种控制方式下,多旋翼属于航模。全自主控制方式是指自动驾驶仪的控制算法能够完成多旋翼航拍无人机航路点到航路点的位置控制以及自动起降等。在这种控制方式下,多旋翼属于航拍无人机,而地面人员此时进行任务级的规划。作为无人机,多旋翼飞行器可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行任务和搭载各种负载任务,可以被看作是“空中机器人”。

航拍无人机22

  多旋翼无人机的优势

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  正所谓没有对比就没有伤害,在评价一样东西好坏的时候,我们zui常用的方法就是进行对比,对于多旋翼无人机而言,他的主要“竞争对手”有固定翼无人机和无人直升机。

  在低空航拍领域,除了大范围/远距离测绘之外,固定翼无人机并没有凸显出任何优势,相比于多旋翼或是直升机,固定翼无人机需要跑道或者弹射起飞装置,要求较高。此外,固定翼无人机无法以较低的速度在较低的空域飞行,这就限制了它在航拍领域的作用。

  因而,在本文的比较中,多旋翼无人机的主要对比对象实则是功能与其更接近的无人直升机,下文就进行两者的主要对比工作。

  操纵原理简单

  多旋翼的操纵原理很简单,操控器四个遥感操作对应飞行器的前后、左右、上下和偏航方向的运动。在自动驾驶仪方面,多旋翼自驾仪控制方法简单,控制器参数调节也很简单。相对而言,学习直升机的飞行可不是一件简单的事情。直升机飞行过程中会产生通道间耦合,自驾仪控制器设计困难,控制器调节也很困难。

  可靠性高

  多旋翼的结构相比于直升机要简单很多。从旋翼系统来说,多旋翼的“旋翼”实则就是空气螺旋桨,并且不存在总距或者周期变距的变化,更不存在挥舞运动,机械连接部件因而会比较简单,简单的结构使其可以被设计得相当可靠。而直升机就不一样了,其旋翼不仅存在总距杆、周期变矩杆,还会产生挥舞运动,而挥舞运动与变距运动及直升机姿态变化运动相耦合,桨叶因而产生复杂的变形,这就对桨叶及其机械联接、传动机构的设计要求更高,使得直升机的可靠性设计更难,无法做到多旋翼那般高的可靠性。

  可维护性好

  同样是因为多旋翼的结构简单,其电机、电调、电池、螺旋桨或者是机架损坏了,维修、更换都很简单,新手都能做到。但直升机就不一样了,断了根周期变矩杆的话,不上个专业人士,这机器多半就报废了。

  多旋翼无人机的劣势

  并不是啥都好,不然还要直升机干啥

  负载能力低

  负载能力低也是多旋翼无人机的一个弱点。这主要是由于虽然多旋翼有四个旋翼,但是与相同尺寸的直升机相比,其总的旋翼桨盘面积还是要小很多,相同拉力下桨盘载荷就会大很多,对应的功率需求就更大,因而负载能力就会弱得多。

  续航性能弱

  续航能力弱一向都是多旋翼无人机的劣势,主要还是由于多旋翼拉力的变化是通过直接改变旋翼转速来实现的,这就注定了其能量转换效率要远远低于通过改变桨距的直升机旋翼要来得低,虽然也有研究机构——比如南京航空航天大学的设计团队——尝试过把多旋翼设计成变距的,但就拿常规四旋翼来说,一套旋翼一组变距机构,太复杂了,直升机一套旋翼变距机构就使得其飞控难度比多旋翼难上一个档次,这一下来四套,画面太美,不敢想象。

  多旋翼无人机的未来

  依赖于相关学科新技术的发展

  避障技术

  随着人工智能技术的发展,避障技术也得到了长足的进步。现在的视觉分析可谓进展神速,后期无人机的自主避障能力应该会有极大改进。此外,无人机避障技术还有不少仿生技术应用的前景,比如声呐系统避障技术(模拟蝙蝠和海豚)。

  动力技术

  动力技术的革新主要在于新型电池的研发(例如铝电池、氢电池等)以及混合动力(通过燃油发动机产生电量驱动旋翼旋转)等方面。但是有些新构型多旋翼也考虑了一些比如地面供电(电缆线)或者无线充电解决方案等思路。

  导航技术

  导航技术的发展直接影响了无人机定位的精度,对于航拍无人机的飞行控制等都有着重要作用,目前来说除了GPS定位之外,还会采用多信息源定位方式,来弥补传统定位方式的不足。

     所以,多旋翼无人机的未来主要还是以需求为导向,不同的任务场景将需要搭载不同的设备,对于多旋翼无人机硬件平台的建设也提出了更高的要求。近期常常在某些问答平台上看到是否存在“多旋翼无人机”彻底取代“直升机”的问题,可以说,从目前来看,这还是不可能的。只能说各有各的好,随着技术的更迭,更可能出现交叉耦合互相学习借鉴的情况。

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