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多旋翼发(fā)展(zhǎn)历程(chéng)

沉寂期:1990年以(yǐ)前

早(zǎo)在1907年,法(fǎ)国C.Richet教授(shòu)指导Breguet兄弟进行了(le)他(tā)们的旋(xuán)翼式直升(shēng)机的飞行试验,如图1a,这是有记录以(yǐ)来最早的构(gòu)型。第一架成功飞(fēi)行的垂直起降型四(sì)旋翼飞(fēi)行器出现在20世纪20年代,但那时几(jǐ)乎没有人(rén)会用到它。1920年,E.Oemichen设计了(le)第一个四旋翼飞行器的原型,但是第一次(cì)尝试(shì)空(kōng)运时(shí)失败了。

之后在1921B.G.De在美国俄亥俄州西南部城市(shì)代顿的美国空军部建造了另一架如图(tú)1c的大型四旋翼直升机,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(shì)最终只(zhī)飞到5米的高(gāo)度。E.Oemichen的飞机在经过重新设计之后(如图1b所示),于1924年实现了(le)起飞并(bìng)创(chuàng)造了当时直升机(jī)领域(yù)的世界(jiè)纪录,该直升机首次实现(xiàn)了14分钟的飞行(háng)时间(jiān)。E.OemichenB.G.De设计的(de)四(sì)旋翼飞行器都是靠垂直于主旋翼的(de)螺旋(xuán)桨来推进,因此它们都不是真正的(de)四旋翼(yì)飞行器。

早期四旋翼飞行(háng)器的设计(jì)受困于极差的(de)发动机(jī)性能,飞行高度仅仅能达到几米(mǐ),因此在接下来的30年里(lǐ),四旋翼飞行器(qì)的(de)设计没有取得多(duō)少进(jìn)步(bù)。直到(dào)1956年(nián),M.K.Adman设计的第一架真(zhēn)正(zhèng)的(de)四旋翼飞行器Convertawings ModelA”(如图1d)试飞取得巨大成功,这(zhè)架(jià)飞机重达1吨(dūn),依靠两个90马(mǎ)力的发(fā)动机(jī)实现悬停和机动,对(duì)飞机的控制(zhì)不再需要垂直于(yú)主旋翼(yì)的螺旋桨,而是通过(guò)改变主旋翼的推力来实现。然而,由于操作这(zhè)架飞机的工作量(liàng)繁重,且飞机在速(sù)度、载(zǎi)重(chóng)量、飞行范围(wéi)、续航(háng)性等(děng)方面(miàn)无法与传(chuán)统的(de)飞(fēi)行器竞争(zhēng),因此人们(men)对此失去了进一步(bù)研(yán)究的兴趣,该研究被迫停止。

20世纪(jì)50年(nián)代,美国(guó)陆军继续测(cè)试各种垂(chuí)直(zhí)起降方案(àn)。Curtiss-Wright是被邀请参与(yǔ)研(yán)制了(le)VZ-7和杠(gàng)杆(gǎn)燃气涡轮(lún)机的几家公司之一,杠杆燃气涡(wō)轮机的(de)出(chū)现提高(gāo)了VZ-7的(de)功(gōng)率与(yǔ)重量比。因此,VZ-7被称作“Flying Jeep”,如图1(e)所示,其有效载重量为250千克,靠(kào)425马力(lì)的杠(gàng)杆燃气涡轮发动机驱动。VZ-7的(de)测试在1959年至1960年期间(jiān)得(dé)到实现。虽然它相对(duì)稳定,但(dàn)是它未能达到军方对(duì)高度和速度的要求,该计划并没有得到更(gèng)进一步的推行。在1990年以前,惯性导航体积重量过大,动(dòng)力(lì)系统载荷也不够(gòu),因此当时多旋翼设计(jì)得很(hěn)大(dà)。正如(rú)前面分析的,大尺寸(cùn)的多旋翼(yì)并没有那么大优势,与多旋翼相比,固定(dìng)翼和直升机更(gèng)适(shì)合(hé)发展大尺(chǐ)寸(cùn)。在此之(zhī)后的30年中,四旋(xuán)翼飞行器的研发没有(yǒu)取得太大的进展,几近沉寂。

复(fù)苏期:1990年至2005

20世纪90年(nián)代之后,随着微机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)研(yán)究的成(chéng)熟,重量只有几克的MEMS惯性导航系统被开(kāi)发运用,使(shǐ)制作(zuò)多旋翼飞行器的自动(dòng)控(kòng)制器成(chéng)为现实(shí)。此外,由于四旋翼飞行(háng)器的概(gài)念与(yǔ)军(jun1)事(shì)试验渐行渐远(yuǎn),它开(kāi)始以独(dú)特的方式通(tōng)过遥控玩具市场进入消费领域。

虽然MEMS惯(guàn)性导航系统已被广泛(fàn)应用(yòng),但(dàn)是MEMS传(chuán)感器数据噪音很大,不能直接读取并(bìng)使用,于是人们又(yòu)花费大量的时间研究去除(chú)噪(zào)声的(de)各种数学算法。这些算法以及自动控制器本身通常需要运算速(sù)度较快(kuài)的单片机,可当时(shí)的单片机(jī)运算速度有限,不足(zú)以满足需求。接着科研人员又花(huā)费(fèi)若干年(nián)理解多(duō)旋翼(yì)飞行器(qì)的非线性系统(tǒng)结构,并(bìng)为(wéi)其建模(mó)、设计控制算(suàn)法、实现(xiàn)控制方案(àn)。因此(cǐ),直到2005年左右,真正稳定的多旋翼无人机(jī)自动控制(zhì)器才被制作(zuò)出(chū)来。

起步期:2005年至2010

在生(shēng)产制(zhì)造方面,德国Microdrones GmbH2005年成立,2006年推出的(de)md4-200四旋翼(如(rú)图2a)系(xì)统开创了电动四旋(xuán)翼在专(zhuān)业(yè)领(lǐng)域(yù)应用的先河,2010年推出的md4-1000四旋翼无人(rén)机系统,在全(quán)球专业无(wú)人机(jī)市场取得成功。另外,德国人H.BussI.Busker2006年主导了一个四轴开源项目,从飞控到电调等全部开源,推出了四轴飞行器最具(jù)参考(kǎo)的自驾仪Mikrokopter2007年,配备Mikrokopter的四旋(xuán)翼像“空中(zhōng)的钉子”一般停(tíng)留在空(kōng)中。很快他们(men)又(yòu)进一步增加(jiā)了组件,甚至(zhì)使它半自主飞行。美国Spectrolutions公司在2004年推出Draganflyer IV四旋翼(如图2b),并随(suí)后在(zài)2006年推(tuī)出了搭载SAVS(稳定航拍视频(pín)系(xì)统)的版本。

在(zài)学(xué)术(shù)方(fāng)面(miàn),2005年之后四旋翼飞行器继续快速发展(zhǎn),更多的学术研究人员开始研究(jiū)多旋翼,并搭建自己的四旋翼。之前一直被各种技(jì)术(shù)瓶(píng)颈限制住的(de)多旋翼飞行器系统瞬间被炒得火热,大家惊喜地发(fā)现居(jū)然有这样一种小巧、稳定、可(kě)垂(chuí)直(zhí)起降、机械结构简单的飞行器的存在。一时间(jiān)研究者蜂(fēng)拥而(ér)至(zhì),纷(fēn)纷开始多旋翼飞(fēi)行器的研发和使用(yòng)。而国内的(de)爱好者(zhě)也(yě)纷(fēn)纷研究(jiū),并开(kāi)设(shè)论坛。虽然多旋翼的算法易(yì)懂,但组装一架多旋(xuán)翼却不是一(yī)件容易的事情。在早期研究阶(jiē)段(duàn),科研人员(yuán)把很多时间都花在了飞行器的组(zǔ)装(zhuāng)调试环节。然而,有能力开发工艺的人往往(wǎng)缺乏对飞控的深入了(le)解,一般只是(shì)复现国外的技术,谈不上进一步(bù)对系统(tǒng)进行(háng)改进。当时(shí)既掌握飞控技(jì)术(shù)又精通(tōng)多旋(xuán)翼工(gōng)艺(yì)的(de)经常(cháng)是那些原来从事(shì)固定翼或直升机(jī)飞控的公司。德国(guó)Microdrones虽然较早地(dì)推出产品,但是(shì)工业级的四(sì)旋翼的价格对于普通消费者来说简直是遥不可及。除(chú)此之(zhī)外,消(xiāo)费(fèi)级的(de)Draganflyer 四旋翼之(zhī)所以没有推(tuī)广是(shì)因为其操(cāo)控(kòng)性及娱乐性不强(智能手(shǒu)机或平版电脑还尚未普及)、二次开发能力弱以(yǐ)及销售渠(qú)道窄。

复兴(xìng)期:2010年至2013年(nián)

经过6年努力(2004年(nián)至(zhì)2010年),法国Parrot公司于2010年推出(chū)消费级(jí)的AR.Drone四旋翼玩(wán)具,从而(ér)开启了多旋翼消费的新(xīn)时代(dài)。AR.Drone四旋翼(yì)在玩具市场非(fēi)常成(chéng)功,它的技术和理念也十分领先。第(dì)一(yī),它采(cǎi)用光流技(jì)术,能够测量飞行器速度,使得AR.Drone四旋翼(3a)能够(gòu)在室内悬停。第二,可(kě)以(yǐ)做到一键起飞,操控性(xìng)得到极大提升。第三,它采(cǎi)用手机、平板电脑(nǎo)或笔(bǐ)记本电脑控制,视频能够(gòu)直接回传至(zhì)电脑,娱乐感(gǎn)较强。第四,整个飞行(háng)器为一体机,并带有防护装置(zhì),比(bǐ)较安(ān)全。第五,AR.Drone开放了API接口,供科研人(rén)员(yuán)开(kāi)发应用。AR.Drone的成功也引发了一些自驾仪(yí)研(yán)发公司的思(sī)考。两年后,大(dà)疆(jiāng)推出的小精灵Phantom一体机(3b)正是借鉴了(le)其设计理念。伴随(suí)着苹果在iphoness上大量(liàng)应用加速计、陀螺(luó)仪、地磁传感(gǎn)器等,MEMS惯性传感器从(cóng)2011年开始大规模兴起,6轴、9轴的惯性传感(gǎn)器(qì)也逐渐取(qǔ)代了单个(gè)传感器,成(chéng)本和功耗进一步降低,成本仅(jǐn)为几美元。另外GPS芯片仅重0.3克,价格不到5美元。WiFi等通信芯片被用(yòng)于控制和传(chuán)输图像信息,通信(xìn)传输速度(dù)和质(zhì)量已(yǐ)经可以充(chōng)分满(mǎn)足几百米的传输需求。同时,电(diàn)池能量密度不断增加,使无人(rén)机(jī)在保持(chí)较轻的重量下,续航时间(jiān)达到(dào)15-30分(fèn)钟,基本满足日常(cháng)的应用(yòng)需求。近年来移动终(zhōng)端同样(yàng)促进了锂电池、高像(xiàng)素摄像头性能的(de)急(jí)剧提(tí)升和成本下降。这(zhè)些(xiē)都促进了多(duō)旋翼更(gèng)进一步发展。

与此(cǐ)同(tóng)时,学术界(jiè)也开始高度关注多旋翼技(jì)术。20122月,宾夕法尼亚大学(xué)的(de) V.Kumar 教授在(zài) TED大会(huì)[2]上做出了四旋翼飞行器发展历(lì)史上里(lǐ)程(chéng)碑式(shì)的演讲,展(zhǎn)示(shì)了四旋翼的灵活性以及编队协(xié)作能(néng)力。这一场充满数学公式的演讲大(dà)受欢迎,它让(ràng)世(shì)人看(kàn)到了多(duō)旋(xuán)翼的内在潜(qián)能(néng)。2012年,美国工程师协(xié)会的机器(qì)人(rén)和自动(dòng)化杂(zá)志(Robotics & Automation Magazine,IEEE)出版(bǎn)空中机器人和(hé)四旋翼(Aerial Robotics and the Quadrotor)专刊,总结了阶段(duàn)性成果(guǒ),展(zhǎn)示了当时最先(xiān)进的技术。在这期间,之前(qián)不具备多旋翼控制功能的开源自(zì)驾仪增(zēng)加了多旋翼这(zhè)一功能,同时也(yě)有新的(de)开源自驾仪(yí)不断加入,这极大(dà)地降低了初学者的门槛(kǎn),为多旋(xuán)翼产业发(fā)展装上(shàng)了翅(chì)膀。

爆发期:2013年至今

2012年初,大疆推出小精灵Phantom一体机。PhantomAR.Drone一(yī)样控制简便,初学者很(hěn)快便可上手。同时,昆(kūn)明俊鹰无人机(jī)自主设计的劲鹰1300型(xíng)8旋翼航测航拍载机试(shì)飞成功!相(xiàng)比AR.Drone四旋翼飞行器,Phantom具备一定的抗风(fēng)性能、定位(wèi)功能和载(zǎi)重(chóng)能力,还可搭载小型相机。当时利用Gopro运(yùn)动相机拍摄极(jí)限运动已(yǐ)经成为(wéi)欧美年轻人竞相追逐的时尚潮流,因(yīn)此Phantom一(yī)体机一(yī)经推出便迅速走红(hóng)。

连线杂志主编C.Anderson2012年年(nián)底担任3D Robotics公(gōng)司CEO,该公司于20138月推出Iris遥控四旋翼飞行(háng)器,于2014推出X8+四旋(xuán)翼飞(fēi)行(háng)器,并很快于2015年推出Solo四旋翼飞行器(qì)。

此时(shí),学术界对于多旋翼的研究更(gèng)偏向智能化、群体化。2013年,苏黎世联邦理工(gōng)学院(yuàn)的R.D'Andrea教授在TEDGlobal的(de)机器人实验室展示了四旋翼的惊人运动机能。纵观学术界的(de)发展,以“四旋翼(quadrotor)”和“多旋翼(yì)(multirotor)”为关(guān)键词的文献在近年成(chéng)井(jǐng)喷趋势。这些(xiē)研究(jiū)往往具备前瞻(zhān)性,将推动多旋翼产业未来的发展。

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