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多旋翼爆红的成因

 

沉寂期:1990年以前

早在1907年(nián),法国C.Richet教授指导(dǎo)Breguet兄弟进行了他们的旋(xuán)翼式直升(shēng)机的飞行试验,如(rú)图1a,这是有记录以(yǐ)来最(zuì)早(zǎo)的(de)构型。第一架成功飞行的垂直(zhí)起降型四旋(xuán)翼飞行器出(chū)现(xiàn)在20世纪20年代,但(dàn)那时(shí)几乎没有(yǒu)人会用到它。1920年,E.Oemichen设计了第一个四旋翼飞行器的原型(xíng),但(dàn)是第(dì)一次尝试空运(yùn)时失败了。

之(zhī)后在1921B.G.De在美国俄亥俄州(zhōu)西南部城市代顿的美国空军部建造了另一(yī)架如图1c的大型四旋翼直升机,这架四(sì)旋翼(yì)飞(fēi)机除(chú)飞行员外可承载3人,原本期望的飞行(háng)高度(dù)是100米,但是(shì)最终只飞到5米的高度。E.Oemichen的飞机在经过重(chóng)新设计(jì)之后(如(rú)下图b所示),于1924年实(shí)现了(le)起(qǐ)飞并创造(zào)了当时直升机领域的世界(jiè)纪录,该(gāi)直(zhí)升(shēng)机首次实(shí)现了14分钟的飞行时间(jiān)。E.Oemichen和(hé)B.G.De设计的四旋翼飞行器都是靠垂直于(yú)主旋翼的螺旋桨来推进,因此它们都(dōu)不是真正的四旋翼(yì)飞行器。

早期四旋翼(yì)飞(fēi)行器的设(shè)计受困于极差的(de)发动(dòng)机性能,飞行高度仅仅(jǐn)能(néng)达到几米,因此(cǐ)在接下来的30年里,四旋翼飞行器的设计没有取得多少进(jìn)步。直到(dào)1956年,M.K.Adman设计(jì)的第一架真正的四(sì)旋翼飞行器Convertawings ModelA”试飞取得巨大成功,这架飞机重达1吨(dūn),依靠两个90马(mǎ)力的发动机实现(xiàn)悬停和机动,对(duì)飞机的控制不再需要(yào)垂直于主旋翼(yì)的螺旋桨,而是通(tōng)过改变主(zhǔ)旋翼的(de)推力来实现(xiàn)。然而,由(yóu)于(yú)操作这架飞(fēi)机的工(gōng)作量繁重,且飞机在速度、载重量、飞行范(fàn)围、续航性等方(fāng)面无(wú)法与传统的飞行器竞争,因此人们对此失去(qù)了进(jìn)一(yī)步研究的兴(xìng)趣,该研究(jiū)被迫(pò)停止。

20世(shì)纪50年代,美国陆军继续(xù)测(cè)试(shì)各种垂直起降方案。Curtiss-Wright是被邀请参与研制了VZ-7和杠杆燃气涡轮机(jī)的几家(jiā)公(gōng)司(sī)之一,杠杆燃气涡轮(lún)机的出现提高了(le)VZ-7的功率与重量比。因此,VZ-7被(bèi)称作“Flying Jeep”,如图(e)所示(shì),其(qí)有效载(zǎi)重量为250千克,靠425马力的杠杆燃气涡轮发动机驱动。VZ-7的(de)测(cè)试在1959年至1960年期间得到实现。虽(suī)然它相对稳定,但是它未能达(dá)到(dào)军方对(duì)高(gāo)度和速度的(de)要求,该计划并没有(yǒu)得到更(gèng)进一步的推行。

1990年以前,惯(guàn)性导航体积重量过(guò)大,动力系统载荷也不够(gòu),因此当时(shí)多旋翼设计得(dé)很大。正(zhèng)如(rú)前(qián)面(miàn)分析的(de),大尺(chǐ)寸(cùn)的(de)多旋(xuán)翼并没有那么大优势,与多旋翼相比,固定翼和直升(shēng)机更(gèng)适合发展大尺寸(cùn)。在此(cǐ)之后的(de)30年中,四旋(xuán)翼飞行(háng)器的研发没(méi)有取得太(tài)大的进展,几近沉寂。

复苏期:1990年至2005

20世(shì)纪90年(nián)代之后,随(suí)着微(wēi)机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)研究的成熟,重量只(zhī)有几克的MEMS惯(guàn)性导航(háng)系统被开发运用,使(shǐ)制作多旋翼飞行器的(de)自动控制器(qì)成为现实(shí)。此外,由(yóu)于四旋(xuán)翼(yì)飞行器(qì)的概念与军事试验渐行渐远,它开始以独特的方式通(tōng)过遥控玩具(jù)市场进入消费(fèi)领(lǐng)域。

虽(suī)然MEMS惯(guàn)性导(dǎo)航系统已(yǐ)被广泛(fàn)应用,但(dàn)是MEMS传感(gǎn)器数(shù)据(jù)噪音很大,不(bú)能(néng)直接(jiē)读取并(bìng)使用,于是人(rén)们又花费大量的时间研究去除噪声的(de)各种数学(xué)算法。这些算法以(yǐ)及自动(dòng)控(kòng)制器本身通(tōng)常需要运算速(sù)度较快的单片(piàn)机,可当时的单片机运算(suàn)速度有限,不足以满(mǎn)足需求。接着科研(yán)人员又花费若干年(nián)理解(jiě)多(duō)旋翼(yì)飞行器的非(fēi)线性(xìng)系统结构,并为其建模、设计控制算法、实现控(kòng)制方案。因此,直到2005年左右,真(zhēn)正稳定的多旋(xuán)翼无(wú)人机自动控制器才被制(zhì)作出来。

起(qǐ)步期:2005年至(zhì)2010

在生产制造方面(miàn),德国Microdrones GmbH2005年成立,2006年推出的md4-200四旋翼(如图a)系统开创了电(diàn)动四旋翼在专业领域(yù)应用的先(xiān)河,2010年推(tuī)出的md4-1000四旋翼(yì)无人机系(xì)统,在全球专(zhuān)业无人机市场取得成功(gōng)。另外(wài),德(dé)国人H.BussI.Busker2006年主导了一个四轴开源项目(mù),从(cóng)飞(fēi)控到电调等全(quán)部开源,推出了四(sì)轴飞行(háng)器最具参考(kǎo)的自驾仪Mikrokopter。2007年,配备Mikrokopter的四(sì)旋(xuán)翼像“空中的钉(dìng)子(zǐ)”一(yī)般停留(liú)在空中。很(hěn)快他们又进一步增加了组件,甚至使它(tā)半(bàn)自(zì)主飞行。美(měi)国(guó)Spectrolutions公司在2004年(nián)推出Draganflyer IV四旋翼(如下图b),并随(suí)后在2006年推出了搭载(zǎi)SAVS(稳定航拍视频(pín)系统)的(de)版(bǎn)本。

在学术方面,2005年之后四旋翼(yì)飞行器继续快速发展,更多的学术(shù)研究人(rén)员开始研(yán)究多旋翼,并搭建自己的四旋(xuán)翼。

之前(qián)一直被各种技术瓶颈限制住的多(duō)旋翼飞(fēi)行器系统瞬间被(bèi)炒(chǎo)得火(huǒ)热,大家惊喜地发现居然有这(zhè)样(yàng)一种小(xiǎo)巧、稳定、可垂直起(qǐ)降、机械结构简(jiǎn)单的飞行(háng)器的存在(zài)。一时(shí)间研(yán)究(jiū)者蜂拥而至,纷(fēn)纷开(kāi)始多旋翼飞行器(qì)的(de)研发和使用。而国内的爱好者也纷纷研究,并开(kāi)设论坛(tán)。虽然多(duō)旋翼(yì)的算法(fǎ)易懂(dǒng),但(dàn)组装一架多(duō)旋翼却不是一件(jiàn)容易的(de)事情。在早期研究阶(jiē)段,科研人员把很多时间都花在了飞行器的组装调试(shì)环节(jiē)。然而,有能力(lì)开发工艺的人往往缺(quē)乏对飞控的深(shēn)入了(le)解,一般只是复现国(guó)外的技(jì)术(shù),谈不上进一步对系统(tǒng)进行(háng)改进。当(dāng)时(shí)既掌握飞(fēi)控技术又精通(tōng)多旋翼工艺的(de)经常(cháng)是那些原来从(cóng)事固(gù)定(dìng)翼(yì)或直升机飞控的公司。德国Microdrones虽然较(jiào)早(zǎo)地推出产(chǎn)品,但是(shì)工(gōng)业级的(de)四旋翼的价格(gé)对于(yú)普通消费者来说简直是遥不(bú)可及。除此之外,消费(fèi)级(jí)的Draganflyer 四旋翼(yì)之所以没有推(tuī)广是因(yīn)为其操(cāo)控性及娱乐(lè)性(xìng)不(bú)强(智能手机或(huò)平版(bǎn)电(diàn)脑还(hái)尚(shàng)未普及)、二次开发能(néng)力弱以及销售渠道窄(当时电商网络处于(yú)初步发展阶段)。

复兴期:2010年至(zhì)2013

经过6年(nián)努力(2004年至2010年),法国Parrot公司于2010年推(tuī)出(chū)消(xiāo)费(fèi)级的AR.Drone四旋翼玩(wán)具,从而开启(qǐ)了多旋翼消费的(de)新时代。AR.Drone四旋翼在玩具市(shì)场非常成功,它的技术和理念也(yě)十分(fèn)领先。

第一,它(tā)采用(yòng)光流技术,能(néng)够测量飞行器速度,使得AR.Drone四旋(xuán)翼(3a)能够在(zài)室内悬(xuán)停。

第二,可以做到一键起飞(fēi),操控性得到极大提升。

第三,它采(cǎi)用手机、平板(bǎn)电脑或笔记本电脑(nǎo)控制,视频能够(gòu)直(zhí)接回(huí)传至(zhì)电脑,娱乐感较强。

第四,整个飞行器为(wéi)一体机,并带有防护装置(zhì),比(bǐ)较安(ān)全。

第五,AR.Drone开放了API接口,供(gòng)科研人员开发应(yīng)用。

AR.Drone的成功也引(yǐn)发了一些自(zì)驾仪(yí)研发公司的思(sī)考。两年后,大疆推出的小精灵Phantom一体机正是(shì)借(jiè)鉴了其设计理念。伴随着苹(píng)果在iphoness上(shàng)大(dà)量(liàng)应用加(jiā)速计、陀螺仪(yí)、地磁传感器等,MEMS惯性传感(gǎn)器从2011年开始大规模(mó)兴起,6轴、9轴的惯性传(chuán)感器也逐渐取代(dài)了单个传感器,成本和功耗(hào)进一(yī)步降低,成本仅为几美元。另外GPS芯片仅重0.3克,价(jià)格不(bú)到5美元。WiFi等通信(xìn)芯片被用(yòng)于控制和传输图(tú)像信(xìn)息,通(tōng)信(xìn)传输速度和质量已经可以充分满足几百米的传输需求。同时,电池能量密度(dù)不断增加,使无人机在(zài)保持较(jiào)轻的重量下,续航时间达到(dào)15-30分钟,基本满足日常的应用需求。近(jìn)年来移(yí)动终(zhōng)端同样促进了(le)锂电池、高像素(sù)摄像头性(xìng)能的急(jí)剧提升和成(chéng)本(běn)下(xià)降。这(zhè)些都促进了多旋翼更进一步发展。

与此(cǐ)同时(shí),学术界(jiè)也开始高度关注(zhù)多旋翼技术。20122月,宾夕法尼(ní)亚大学的 V.Kumar 教授(shòu)在 TED大会上做出了四旋(xuán)翼飞行(háng)器发展历史上里(lǐ)程碑式的演讲,展示了四(sì)旋翼的(de)灵活性以及(jí)编队协作能力。这一场充满(mǎn)数学公(gōng)式的演讲大受欢迎,它让(ràng)世人看到了(le)多旋翼的(de)内(nèi)在潜(qián)能。

2012年(nián),美国工程师协会(huì)的机器(qì)人和自动化杂志(Robotics & Automation Magazine,IEEE)出(chū)版空中机器(qì)人和四旋翼(yì)(Aerial Robotics and the Quadrotor)专刊(kān),总结了(le)阶段性成果,展示了当时(shí)最先进的技术。在这期间,之前不具(jù)备多(duō)旋翼控制功能的开(kāi)源自(zì)驾仪增加了多旋(xuán)翼这一功能(néng),同时也有新的开源自驾仪不断加入,这极大地降低了初学者的门槛,为多(duō)旋翼产业发展装上了翅(chì)膀。

爆发期:2013年至今

2012年初,大(dà)疆推出小精灵(líng)Phantom一体机。PhantomAR.Drone一样控制简便,初学(xué)者(zhě)很快便可上手。同时(shí),价(jià)格也能被(bèi)普通消费者接受。相比(bǐ)AR.Drone四旋翼飞行器,Phantom具备一定的抗风性(xìng)能、定(dìng)位功(gōng)能和载重(chóng)能力,还可搭(dā)载小型相机。当时利(lì)用Gopro运动相机拍摄极(jí)限运(yùn)动(dòng)已经成为(wéi)欧美年轻人竞(jìng)相追逐的时尚(shàng)潮流,因此Phantom一体(tǐ)机一经推出(chū)便迅速走红。

连线(xiàn)杂志主编C.Anderson2012年年底担任(rèn)3D Robotics公司CEO,该公司于20138月推(tuī)出Iris遥控四旋翼飞行器,于(yú)2014推出X8+四旋翼飞行器,并很快(kuài)于2015年推出Solo四(sì)旋(xuán)翼(yì)飞行器。

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