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多旋翼爆红(hóng)的成(chéng)因

 

沉寂期:1990年以前

早(zǎo)在1907年(nián),法国C.Richet教授指导Breguet兄弟进行了他们的旋翼式直升机的飞行试验,如图1a,这(zhè)是有记录以来最早(zǎo)的(de)构型。第(dì)一架成功飞行(háng)的垂直起降型四旋翼飞行(háng)器(qì)出现在(zài)20世纪20年(nián)代,但(dàn)那时几乎没有人会用到它。1920年,E.Oemichen设计(jì)了第(dì)一个四旋翼飞行器的原型,但是第一次尝试空运时失败了。

之后在1921B.G.De在美国俄亥俄州西(xī)南部城(chéng)市代顿的(de)美国空军部建(jiàn)造了另(lìng)一(yī)架如图1c的大(dà)型四(sì)旋翼直升机,这架四旋翼飞机除飞行员外可承载3人,原本期望的飞行高度是100米,但是最(zuì)终只飞到5米(mǐ)的高度。E.Oemichen的飞机在经过重新设(shè)计之(zhī)后(如下图b所示),于1924年实现(xiàn)了起飞并创造了(le)当时直(zhí)升机(jī)领域的(de)世(shì)界纪录,该直升机(jī)首次实现了14分钟的飞行时间。E.OemichenB.G.De设计的四旋翼飞行器都是(shì)靠垂直于(yú)主旋翼的螺旋桨来推进,因此它们都不是真正(zhèng)的四旋翼(yì)飞行器。

早期四旋翼飞行器的设计受困于极差的发动机性(xìng)能,飞行高度仅仅能达到几(jǐ)米,因此在接下来的30年(nián)里,四旋(xuán)翼飞(fēi)行器(qì)的设计(jì)没有取得(dé)多(duō)少进(jìn)步。直到1956年,M.K.Adman设计(jì)的第一架真正的(de)四旋翼飞行器(qì)Convertawings ModelA”试飞取得巨(jù)大(dà)成(chéng)功,这架飞机(jī)重达1吨,依(yī)靠两个90马(mǎ)力的发动机实现悬(xuán)停和(hé)机动,对飞机(jī)的控制不再(zài)需要垂直于主旋翼的螺旋桨,而是(shì)通过改变主旋翼的推力来实(shí)现。然而,由于操作这(zhè)架飞(fēi)机的工作量繁重,且飞机在速度、载重量、飞行范围、续航性等(děng)方面无法与传统的飞行器竞争,因(yīn)此人们对此失(shī)去了(le)进一步研究的兴趣,该研究被迫停止。

20世(shì)纪50年代,美国陆军继(jì)续测试各(gè)种垂(chuí)直起降方(fāng)案。Curtiss-Wright是被邀请(qǐng)参与研制了VZ-7和杠杆燃气涡轮机的几家公司之一,杠杆燃气涡轮机的出(chū)现(xiàn)提高(gāo)了VZ-7的功(gōng)率与重量比。因此,VZ-7被称作“Flying Jeep”,如(rú)图(e)所示,其有效载重(chóng)量(liàng)为250千克,靠425马(mǎ)力的杠杆燃气涡(wō)轮发动(dòng)机驱动(dòng)。VZ-7的(de)测试在1959年(nián)至1960年期间得到实现。虽(suī)然它相(xiàng)对稳定,但是它未(wèi)能达(dá)到军方对高度和速度(dù)的要求,该(gāi)计划(huá)并没(méi)有得(dé)到更进(jìn)一步的(de)推行。

1990年以前,惯性导(dǎo)航体积重量过大(dà),动力(lì)系统载荷也(yě)不够,因此当时多旋翼设计得很大。正如前面分析的,大尺寸(cùn)的多旋翼并没有(yǒu)那么大(dà)优势,与多旋翼相比,固定翼和直升机(jī)更适合发展大尺(chǐ)寸。在(zài)此之(zhī)后的30年中,四(sì)旋翼(yì)飞行器的研发没有(yǒu)取得太大(dà)的进展(zhǎn),几近沉寂。

复苏期(qī):1990年至2005

20世纪(jì)90年代之后,随(suí)着(zhe)微机(jī)电系统(tǒng)(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)研究的成熟,重量(liàng)只有几克的MEMS惯性导(dǎo)航系统被开发运用,使制作多旋翼飞(fēi)行器(qì)的自动控制器成为现(xiàn)实。此外,由于四旋翼飞行器的概(gài)念与军事试验渐行渐(jiàn)远,它开(kāi)始以独特的(de)方式通(tōng)过遥(yáo)控玩具市(shì)场进入消费(fèi)领域(yù)。

虽然(rán)MEMS惯性导(dǎo)航(háng)系统已被广泛应用,但是(shì)MEMS传感器数据噪音(yīn)很大,不能直接读(dú)取并使(shǐ)用,于是人们又花费大量的时间研究去除噪声的各(gè)种数学算法。这些算(suàn)法以及自(zì)动控制(zhì)器本身通常(cháng)需要运算速度较(jiào)快的单(dān)片机(jī),可(kě)当时的单片机运算速(sù)度有限(xiàn),不足以满足需(xū)求。接着科研人(rén)员(yuán)又花费若干(gàn)年理(lǐ)解多旋翼飞行(háng)器的非线性系(xì)统结构,并为其建模、设计控(kòng)制算法、实现控制方案。因(yīn)此,直到2005年左右,真正稳定的多旋翼无人机自(zì)动控制器(qì)才被制作出来。

起步期:2005年至2010

在生产制造(zào)方面,德国Microdrones GmbH2005年成立,2006年推出的md4-200四旋翼(如图a)系(xì)统开创了电动(dòng)四旋(xuán)翼(yì)在(zài)专业领(lǐng)域应用的先河,2010年推(tuī)出(chū)的md4-1000四旋翼无(wú)人机系统(tǒng),在全球专业无(wú)人(rén)机市场取得成功。另外,德国(guó)人H.BussI.Busker2006年(nián)主导了一(yī)个四轴开源项目,从飞控到电调等全部开源(yuán),推出了(le)四轴飞行(háng)器(qì)最具参(cān)考的自驾(jià)仪Mikrokopter2007年,配备Mikrokopter的(de)四旋(xuán)翼像“空中的钉子(zǐ)”一般(bān)停留在空中。很(hěn)快他们又进一(yī)步增加(jiā)了(le)组(zǔ)件,甚至使它半自主飞行(háng)。美国Spectrolutions公司在2004年推出Draganflyer IV四旋翼(yì)(如下图b),并随后在2006年推出了(le)搭载SAVS(稳定航拍视频系统)的版本(běn)。

在学术(shù)方面,2005年之后四(sì)旋翼飞行器继续快速发展,更多的学术研究人员开(kāi)始研究(jiū)多旋翼,并(bìng)搭建自(zì)己的(de)四旋翼。

之前一直被(bèi)各种(zhǒng)技术瓶颈限制住的多旋翼飞行(háng)器系统瞬间被(bèi)炒(chǎo)得火热,大家惊喜地发现居然有这样(yàng)一种小巧(qiǎo)、稳定、可垂直起(qǐ)降、机械结构简单的(de)飞行(háng)器(qì)的存在。一时间研究者蜂拥而至,纷纷开始多旋翼飞行(háng)器的(de)研发和使用。而国(guó)内(nèi)的爱好者也(yě)纷纷研究,并(bìng)开设论坛。虽然(rán)多旋翼的算法易懂(dǒng),但组装一架多旋翼却不(bú)是一(yī)件容易的事情。在早期研究阶段,科研(yán)人员(yuán)把很多时间(jiān)都花在了飞行器的组装调试环节(jiē)。然(rán)而(ér),有能力开发工(gōng)艺的(de)人(rén)往(wǎng)往缺乏对(duì)飞控的(de)深入了解,一般只是复现国(guó)外的技(jì)术,谈不上进一步对系(xì)统(tǒng)进行改进。当时既掌握飞控(kòng)技术又精通多旋翼(yì)工艺的(de)经常是(shì)那些原(yuán)来从事固定翼或(huò)直升机飞控的公(gōng)司(sī)。德(dé)国(guó)Microdrones虽(suī)然(rán)较早(zǎo)地推出产品(pǐn),但是工业级的(de)四旋翼(yì)的价(jià)格对于普通消费(fèi)者来说(shuō)简直是遥(yáo)不可及(jí)。除此之外,消费级的Draganflyer 四旋翼之所以没有(yǒu)推广(guǎng)是(shì)因为其操控性及(jí)娱乐性不强(智能手机或平(píng)版电脑还尚未普及(jí))、二次开发(fā)能力弱以及销售渠道(dào)窄(当时电商网(wǎng)络(luò)处于初步发展阶段)。

复(fù)兴期:2010年至2013

经过(guò)6年(nián)努力(2004年至(zhì)2010年),法国Parrot公司(sī)于2010年推出消费(fèi)级(jí)的(de)AR.Drone四旋翼玩具,从而开启了(le)多(duō)旋(xuán)翼消费的新时代(dài)。AR.Drone四(sì)旋翼在(zài)玩具市场非常成功,它的技术和理念也十分领先。

第(dì)一,它采(cǎi)用光流技术,能够测量飞(fēi)行器速度,使得AR.Drone四旋(xuán)翼(yì)(3a)能够在室内悬停(tíng)。

第二,可以做到(dào)一键起飞,操控(kòng)性得到(dào)极大提升。

第三(sān),它采用手机、平板电脑或笔记本(běn)电脑控制,视频(pín)能够直接回传至(zhì)电脑,娱(yú)乐感较强。

第四,整个飞行器为一体(tǐ)机,并带有(yǒu)防护装置,比(bǐ)较安全。

第五(wǔ),AR.Drone开放了API接口,供科研人员(yuán)开发(fā)应用。

AR.Drone的成功也引发(fā)了一些自(zì)驾仪研发公(gōng)司的(de)思考。两年后,大疆推出的小精灵(líng)Phantom一体(tǐ)机正是借鉴了其设计理念。伴随着苹(píng)果在iphoness上(shàng)大量应用加(jiā)速计(jì)、陀螺仪、地磁传感器等,MEMS惯性传(chuán)感器从2011年开始大规模(mó)兴起,6轴(zhóu)、9轴的惯性传感器也(yě)逐渐取代了单个传感(gǎn)器,成本和功(gōng)耗进一步降低,成本仅为几美(měi)元(yuán)。另外GPS芯片仅重0.3克,价格不到5美元。WiFi等通信芯片被(bèi)用于控制和传输图像信息,通信传(chuán)输速度(dù)和质量已经(jīng)可以充分满足几百米(mǐ)的传输需求。同时,电池能量密度不断增加,使无人机(jī)在(zài)保持较(jiào)轻的重(chóng)量下(xià),续航(háng)时间达(dá)到15-30分钟,基本满足日常的应用需求。近年来移动(dòng)终端(duān)同样促进了锂电池(chí)、高像素摄像头(tóu)性能的急(jí)剧提升(shēng)和成本下(xià)降。这些都(dōu)促(cù)进(jìn)了(le)多旋翼更进一步发展。

与此(cǐ)同时(shí),学术界也开始高度(dù)关注(zhù)多旋翼技术。2012年(nián)2月(yuè),宾夕法尼亚大学的 V.Kumar 教授在(zài) TED大会上做出了四旋翼飞行器发展历史上里程碑式的演讲(jiǎng),展示(shì)了四(sì)旋翼的灵活性以及编队协作(zuò)能(néng)力。这一场充满数学公(gōng)式的演讲大受欢迎,它让世人看到了多旋翼的(de)内(nèi)在(zài)潜(qián)能。

2012年(nián),美国(guó)工程师协会的机(jī)器人和(hé)自动化杂志(Robotics & Automation Magazine,IEEE)出版空中机(jī)器人和四旋(xuán)翼(Aerial Robotics and the Quadrotor)专刊,总结了阶(jiē)段性成(chéng)果,展示(shì)了当(dāng)时最先进的技术。在这期间,之前不具备多旋翼控(kòng)制功能的开源自驾仪增加了(le)多旋翼这(zhè)一功能,同时也有新(xīn)的开源自驾仪(yí)不断加入,这(zhè)极大地降(jiàng)低了初学者的门槛,为多旋(xuán)翼产(chǎn)业发展装上了翅膀。

爆发期:2013年至(zhì)今

2012年初(chū),大疆推出小精灵Phantom一体机。PhantomAR.Drone一样控制简便,初学者很快便(biàn)可上手(shǒu)。同时,价格也能被普通消费者接受(shòu)。相比AR.Drone四(sì)旋翼飞行器,Phantom具备(bèi)一定的抗风性能、定位功(gōng)能和载重能(néng)力,还可搭载小型相(xiàng)机。当时利(lì)用Gopro运动相机拍摄极限运动已经成(chéng)为欧美年轻(qīng)人竞相追逐的时尚潮流,因此(cǐ)Phantom一体机一经(jīng)推出便迅速走红。

连线(xiàn)杂志(zhì)主编C.Anderson于(yú)2012年年底担任3D Robotics公司CEO,该(gāi)公司于(yú)20138月推(tuī)出Iris遥控(kòng)四旋翼飞(fēi)行器,于2014推出X8+四(sì)旋翼飞行(háng)器,并(bìng)很(hěn)快于2015年(nián)推(tuī)出Solo四旋翼飞行器。

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