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多旋翼爆红的成因

 

沉(chén)寂期:1990年以(yǐ)前(qián)

早在1907年,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(yàn),如图1a,这是有记(jì)录(lù)以来最早的构型。第一架成功飞行的垂直起降型四旋翼飞行器出现(xiàn)在(zài)20世纪20年代,但那时几(jǐ)乎(hū)没有人会用到它。1920年,E.Oemichen设(shè)计了第一个四旋(xuán)翼(yì)飞行器的原型,但是第一(yī)次尝试空运时失(shī)败(bài)了。

之后在1921年(nián)B.G.De在美国(guó)俄亥俄州西(xī)南部城市代顿的美(měi)国空军(jun1)部建造了另一架(jià)如图1c的大型四旋翼直(zhí)升机,这架四旋翼飞机除(chú)飞行员外可承载(zǎi)3人,原本期(qī)望的飞行高度是100米,但是最终只(zhī)飞到5米的高(gāo)度。E.Oemichen的飞机在经过重(chóng)新(xīn)设(shè)计之后(如下(xià)图b所示),于1924年(nián)实现了起飞并(bìng)创造了当(dāng)时直升机领(lǐng)域的世界纪录,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(de)四旋翼(yì)飞(fēi)行器都(dōu)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的四旋翼飞行器。

早期四旋(xuán)翼飞行器的设计受困(kùn)于极差(chà)的发动机(jī)性能(néng),飞行高(gāo)度仅仅能达到几米(mǐ),因此(cǐ)在接下来的30年里,四旋翼飞行(háng)器(qì)的设计没(méi)有取得多(duō)少(shǎo)进(jìn)步。直到1956年(nián),M.K.Adman设计的第一架真正的四旋翼飞行器(qì)Convertawings ModelA”试飞取得巨大成功,这架飞机重(chóng)达1吨,依靠两个90马力的发动机(jī)实现悬停(tíng)和机动,对飞机的控制不再需(xū)要垂直(zhí)于主旋(xuán)翼的螺旋桨,而是通过改变主旋(xuán)翼(yì)的推力来(lái)实现。然而,由于操作这(zhè)架飞机的工作量繁重,且飞机(jī)在速(sù)度、载重量、飞行范围、续航性等方面(miàn)无法与传统的(de)飞行(háng)器竞争,因(yīn)此人们对此(cǐ)失去了(le)进一步研究(jiū)的兴趣(qù),该研究被迫停止。

20世纪50年代,美国(guó)陆军继续测试各种垂直起降方案。Curtiss-Wright是被邀(yāo)请参与研制了VZ-7和杠杆燃气涡轮机的几家公司之一,杠杆燃气涡(wō)轮机的出现提高了VZ-7的(de)功率与重(chóng)量比。因(yīn)此,VZ-7被称作“Flying Jeep”,如(rú)图(e)所示,其有效载重量为250千克,靠425马力的杠杆燃气涡轮发动(dòng)机(jī)驱动。VZ-7的(de)测试在1959年至1960年期间(jiān)得到实现。虽然它相对稳定,但是它未能达到军方对高度和速度的要求,该计划并没有得到(dào)更进一步(bù)的推行。

1990年以前,惯性导航体积重量(liàng)过大,动力系统载荷也(yě)不够(gòu),因此当时多旋翼(yì)设计得很大。正(zhèng)如前面分析的,大(dà)尺寸的多旋翼并没有那么大优(yōu)势(shì),与多旋翼相比,固(gù)定翼和(hé)直升机(jī)更适合发展大尺(chǐ)寸。在此之后的(de)30年中,四旋翼飞行器的(de)研(yán)发没有(yǒu)取得(dé)太大的进展,几(jǐ)近沉寂。

复苏期(qī):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)研究的成(chéng)熟,重量(liàng)只有几克的MEMS惯性导航系(xì)统被开发运用,使制作多旋翼飞行器(qì)的自动控制器成(chéng)为现实。此外,由于(yú)四(sì)旋翼飞行器的概(gài)念与军(jun1)事试验渐行渐(jiàn)远,它开始以独特的方(fāng)式(shì)通(tōng)过遥控(kòng)玩具市场进入消费领域。

虽然MEMS惯(guàn)性导航(háng)系(xì)统已被广泛应用,但是MEMS传感器数(shù)据噪音很大(dà),不能(néng)直接读取并使用,于是人(rén)们又花费大量的时间研(yán)究去除噪声的各种数学算法。这些算法以及自动控制器本身通常需要运算(suàn)速度较快(kuài)的(de)单片(piàn)机,可当时的单片(piàn)机运算速(sù)度有限,不足以满足(zú)需求。接着科研(yán)人员(yuán)又花费(fèi)若干年理解多旋翼(yì)飞行器(qì)的非(fēi)线性系统结构,并为(wéi)其建模、设计控制算法、实现(xiàn)控制(zhì)方案。因此,直到2005年(nián)左右(yòu),真正稳定的多旋翼无(wú)人机(jī)自动控制(zhì)器才被制(zhì)作(zuò)出来。

起步期:2005年至(zhì)2010

在生产制造方面,德国Microdrones GmbH2005年成立,2006年推出的(de)md4-200四(sì)旋翼(如图a)系统开创了电动四旋翼在专业领(lǐng)域应用的(de)先河,2010年推出的(de)md4-1000四旋翼(yì)无人(rén)机(jī)系统,在全球专业无人机市场取得成(chéng)功。另外,德国人H.BussI.Busker2006年主导了一个四轴开源项目(mù),从飞控到电调(diào)等全部开(kāi)源,推出了(le)四轴飞(fēi)行器最具参考(kǎo)的自驾仪Mikrokopter2007年,配备(bèi)Mikrokopter的(de)四旋翼像“空中的钉(dìng)子(zǐ)”一般停留在空中。很快他们又进一步增加了组件,甚至使(shǐ)它半(bàn)自(zì)主飞行。美(měi)国Spectrolutions公司在2004年(nián)推出Draganflyer IV四旋翼(如下图b),并随后(hòu)在2006年推出了(le)搭(dā)载SAVS(稳(wěn)定(dìng)航(háng)拍(pāi)视频(pín)系统)的版本。

在学术方面,2005年之后(hòu)四旋翼(yì)飞行器继(jì)续快速发展,更多的学术研(yán)究人员开始研(yán)究多旋(xuán)翼,并搭建自己的(de)四(sì)旋翼。

之(zhī)前一直(zhí)被各种技(jì)术瓶(píng)颈限制住的多(duō)旋翼飞行(háng)器系统瞬间被炒(chǎo)得火热(rè),大家(jiā)惊喜地发现(xiàn)居然(rán)有这样一种(zhǒng)小巧、稳定、可(kě)垂直起降、机械结构(gòu)简单的飞行器的存(cún)在(zài)。一时(shí)间研究者蜂拥(yōng)而至(zhì),纷纷开始(shǐ)多旋翼飞行器的研发和使用。而国内的爱好者也纷纷研究,并开设论(lùn)坛。虽然(rán)多旋翼的算法易懂,但组装一架多旋翼却不是(shì)一(yī)件(jiàn)容易的事情。在早期研究阶段,科研(yán)人员把很(hěn)多时间(jiān)都花在了飞行器的(de)组装调(diào)试环节。然(rán)而,有能力开发工艺的人往往缺乏对飞控(kòng)的深入(rù)了解,一般只(zhī)是复现国外的技(jì)术,谈不上进一步对系统进行改(gǎi)进。当时既(jì)掌握飞(fēi)控技术(shù)又精(jīng)通多旋(xuán)翼工艺的经常是那些原来(lái)从事(shì)固定翼或直(zhí)升(shēng)机飞控的公司。德(dé)国Microdrones虽然较早地推出产(chǎn)品(pǐn),但(dàn)是(shì)工业(yè)级的四旋翼的价格对于普通消(xiāo)费者来说简(jiǎn)直是遥不可及。除此之外,消费(fèi)级的Draganflyer 四旋(xuán)翼(yì)之所以没有推广是因为其操控性(xìng)及娱乐性不强(智能手机(jī)或(huò)平(píng)版电脑还尚未普及)、二次(cì)开发能(néng)力弱以(yǐ)及销售渠道窄(zhǎi)(当时电商网(wǎng)络处于初步发展(zhǎn)阶段)。

复(fù)兴期:2010年(nián)至2013

经过6年(nián)努(nǔ)力(2004年至2010年),法国Parrot公司(sī)于2010年推出消费(fèi)级的AR.Drone四旋翼玩具,从而开启了多(duō)旋翼消(xiāo)费的新时代。AR.Drone四旋翼(yì)在(zài)玩具市场非常成(chéng)功,它的技(jì)术和理念也十分领先。

第一,它采用(yòng)光流技术,能够测量飞行器速(sù)度,使得AR.Drone四(sì)旋翼(3a)能够在室内悬停(tíng)。

第二,可以做(zuò)到一键(jiàn)起飞,操控性(xìng)得到极大提升。

第三,它采用手机、平板(bǎn)电脑或笔记本电脑控制(zhì),视频能够(gòu)直接回(huí)传至电(diàn)脑,娱(yú)乐感较强。

第四,整(zhěng)个飞(fēi)行器(qì)为一体机(jī),并带(dài)有防(fáng)护装置,比较安全。

第(dì)五,AR.Drone开(kāi)放(fàng)了API接口,供(gòng)科研人(rén)员开发应用。

AR.Drone的成功也引发了一些自驾仪研发(fā)公司的思考。两年后,大疆推出的小精灵Phantom一体机正是(shì)借(jiè)鉴了其设(shè)计理念。伴随(suí)着苹果在iphoness上(shàng)大量应用加速计(jì)、陀螺仪、地(dì)磁传感器等,MEMS惯性传(chuán)感(gǎn)器从2011年开始大(dà)规模兴起(qǐ),6轴、9轴的惯(guàn)性(xìng)传感器也逐渐取代了(le)单个传感器,成本和功耗进一步降(jiàng)低,成(chéng)本仅为几美元。另外(wài)GPS芯片仅重0.3克(kè),价(jià)格不到(dào)5美元(yuán)。WiFi等(děng)通(tōng)信芯片被用(yòng)于控制和传输图像信(xìn)息,通信传输(shū)速(sù)度和质(zhì)量已经可(kě)以充分满足几百米的传输需求(qiú)。同时(shí),电池能(néng)量密度不断增加,使(shǐ)无人机在保(bǎo)持较轻的(de)重量下,续(xù)航时间达(dá)到15-30分钟,基本满足日常的应用需求。近年来移动终端同样促进了锂电池、高(gāo)像素(sù)摄(shè)像头性能(néng)的急剧(jù)提升和成本下降。这些都促进了(le)多(duō)旋翼更进一步发展。

与此同时(shí),学术(shù)界(jiè)也开(kāi)始高度关注多旋翼技术。20122月,宾夕法尼亚大学的(de) V.Kumar 教授在 TED大会上做(zuò)出了(le)四旋翼飞行器(qì)发展历史上里程碑式的演讲,展示了(le)四旋(xuán)翼的灵活性(xìng)以及编队协作(zuò)能(néng)力。这(zhè)一场充(chōng)满数学公式(shì)的(de)演讲(jiǎng)大受欢迎,它让(ràng)世人看到了多旋翼的内(nèi)在潜能。

2012年,美国工(gōng)程师协会的机(jī)器(qì)人和自动(dòng)化杂志(Robotics & Automation Magazine,IEEE)出版(bǎn)空中机器人(rén)和四旋翼(yì)(Aerial Robotics and the Quadrotor)专(zhuān)刊(kān),总(zǒng)结了阶段性成果,展示了当时最(zuì)先进(jìn)的技术。在(zài)这(zhè)期(qī)间,之前(qián)不具备多旋翼控制(zhì)功能的开源自驾仪增加了多旋(xuán)翼这一功能(néng),同(tóng)时(shí)也有新的开源(yuán)自驾仪不断加入,这(zhè)极(jí)大地降低了(le)初学者的门槛(kǎn),为多旋翼产业发(fā)展装上了(le)翅(chì)膀。

爆(bào)发期:2013年(nián)至今

2012年(nián)初,大疆推出小精(jīng)灵Phantom一体机。PhantomAR.Drone一样(yàng)控制(zhì)简便,初学者很快便可上(shàng)手。同时,价格也能被普通消费(fèi)者接(jiē)受。相比(bǐ)AR.Drone四旋翼飞行器,Phantom具备一定(dìng)的抗风性能、定(dìng)位功能和载重能力,还(hái)可(kě)搭载小型相机。当时利(lì)用(yòng)Gopro运(yùn)动(dòng)相机拍摄极限运动已经成为欧美年轻人竞相追逐的时尚潮流,因此Phantom一体机一经推出便迅(xùn)速走(zǒu)红。

连(lián)线(xiàn)杂志主编C.Anderson2012年年(nián)底担任3D Robotics公司(sī)CEO,该公(gōng)司(sī)于2013年(nián)8月推出Iris遥控四旋(xuán)翼(yì)飞行器(qì),于(yú)2014推出X8+四旋翼飞行器,并很快于2015年推出Solo四(sì)旋(xuán)翼(yì)飞行器。

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