沉寂(jì)期:1990年以前
早在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(rú)图1a,这是(shì)有记录(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在20世纪20年代,但那时几乎(hū)没有人会用到它(tā)。1920年,E.Oemichen设计了第一(yī)个四旋翼飞行器的(de)原型,但(dàn)是第一次(cì)尝试空运时(shí)失(shī)败了。
之后在1921年(nián)B.G.De在美国俄亥俄州西南部城市代顿(dùn)的美国空军部建(jiàn)造了另一架(jià)如图1c的大型四(sì)旋翼直升机,这架(jià)四(sì)旋翼飞(fēi)机除飞(fēi)行员外可承载3人,原本期望(wàng)的飞行高度是100米,但是最终(zhōng)只飞到(dào)5米的高度。E.Oemichen的飞(fēi)机在经过重新设计之(zhī)后(hòu)(如下图b所示(shì)),于(yú)1924年实现了起飞并创造了(le)当时直升机领域的世(shì)界(jiè)纪录,该直升(shēng)机首次实(shí)现了14分钟的(de)飞行时(shí)间。E.Oemichen和B.G.De设计的(de)四旋翼飞行器都是靠垂直于主旋翼的螺旋桨来(lái)推进,因此它们都不(bú)是真正的四旋翼飞(fēi)行器。
早(zǎo)期四旋翼飞行器的设计(jì)受(shòu)困于极差的发(fā)动机(jī)性能,飞行高度仅仅能达到几米(mǐ),因(yīn)此在接(jiē)下来(lái)的(de)30年里,四旋翼飞行器的设计没有取得多少进步。直到1956年,M.K.Adman设计的第一架真正的四旋翼飞(fēi)行器Convertawings Model“A”试(shì)飞取得巨大成功,这架飞机重达1吨,依靠两个90马力的发动(dòng)机实现(xiàn)悬停(tíng)和机动,对飞机(jī)的控制(zhì)不再需要(yào)垂直于主(zhǔ)旋翼的螺旋(xuán)桨,而是通过改变主旋翼的(de)推力来实现。然而,由于(yú)操作这(zhè)架飞机的工作(zuò)量繁(fán)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(chuán)统的飞(fēi)行器(qì)竞争,因此人们对此失(shī)去了进一(yī)步研究的(de)兴趣,该研究被迫停止。
在20世(shì)纪50年代,美国陆军(jun1)继(jì)续测试各种垂直(zhí)起降方案。Curtiss-Wright是被邀请参与研制了VZ-7和杠(gàng)杆燃气涡(wō)轮机的几家公司之一,杠杆燃气涡轮(lún)机的出现(xiàn)提高(gāo)了VZ-7的功(gōng)率与重量比(bǐ)。因此,VZ-7被称作“Flying Jeep”,如图(e)所示,其有效载重量为250千克,靠425马力的杠(gàng)杆燃气涡轮发动(dòng)机驱动。VZ-7的测试在1959年至(zhì)1960年期间得到实现。虽然它(tā)相对稳定,但是(shì)它未能(néng)达到(dào)军(jun1)方对高(gāo)度(dù)和速度(dù)的要求(qiú),该计划并没有(yǒu)得(dé)到更进一步(bù)的推行。
在1990年以前,惯性(xìng)导航体积重量过大,动力系统载荷也不够(gòu),因此当时(shí)多(duō)旋翼(yì)设计得很大。正如前(qián)面(miàn)分(fèn)析的,大尺(chǐ)寸(cùn)的多旋(xuán)翼并没有那么大优势,与多旋翼相比,固定(dìng)翼(yì)和直升机更适合发展(zhǎn)大尺寸。在此(cǐ)之后的30年中,四(sì)旋翼飞行(háng)器的研发没有取得太(tài)大的进展,几近沉寂。
复苏期:1990年至2005年
20世纪90年代之后,随着微机电(diàn)系统(tǒng)(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)研(yán)究的(de)成熟,重量只有几克的MEMS惯性导航系统被开发(fā)运用,使制作多旋翼(yì)飞(fēi)行(háng)器的自(zì)动控制器成为现(xiàn)实。此外,由于四旋翼飞行器的(de)概念与军事试(shì)验渐行渐远,它开始(shǐ)以独特(tè)的方式通过(guò)遥控玩具市(shì)场(chǎng)进(jìn)入消费领域。
虽然MEMS惯(guàn)性导航(háng)系(xì)统已被广泛应用(yòng),但是(shì)MEMS传感器数据噪音很大,不能直接(jiē)读取并使(shǐ)用,于(yú)是人(rén)们又花费大(dà)量的时间研究去除噪声的(de)各种数(shù)学算法(fǎ)。这些算法以及自动控(kòng)制器(qì)本(běn)身通常需要运算(suàn)速(sù)度较快的单片机,可当时的单(dān)片(piàn)机运算(suàn)速(sù)度有限,不足以满足(zú)需求。接着科研人员又花费若干年理解(jiě)多旋翼(yì)飞行器的非线(xiàn)性(xìng)系统结构,并为(wéi)其(qí)建模、设计控制算法、实现控制方案。因此,直到2005年左右,真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出来。
起(qǐ)步期:2005年至(zhì)2010年
在生产(chǎn)制造(zào)方面,德国Microdrones GmbH于2005年成(chéng)立,2006年(nián)推出的(de)md4-200四旋翼(yì)(如图a)系(xì)统开创了(le)电动四(sì)旋翼在专业领域应用的(de)先河,2010年推出的md4-1000四旋(xuán)翼无人机系统,在全球专业无人机市场取得成(chéng)功。另外,德(dé)国人H.Buss和I.Busker在2006年主导了一个四轴开源项目,从飞控到电调等全部开(kāi)源,推出了(le)四轴飞行器(qì)最具参考的自驾(jià)仪Mikrokopter。2007年,配备Mikrokopter的四旋翼(yì)像“空中的钉子(zǐ)”一般停留(liú)在空中。很(hěn)快他们(men)又进一步增加(jiā)了组件,甚至使它半自主飞行。美国Spectrolutions公(gōng)司在2004年推出Draganflyer IV四旋翼(如下图b),并随后在(zài)2006年推出了搭(dā)载SAVS(稳定航拍(pāi)视频系统)的版本。
在学术方面,2005年之后四旋翼(yì)飞行器继续快速发展,更多(duō)的学(xué)术研究人员开始研究多旋翼,并(bìng)搭建自己(jǐ)的四旋翼(yì)。
之前一直被各(gè)种技术瓶颈限(xiàn)制住的(de)多(duō)旋(xuán)翼飞行器系统(tǒng)瞬(shùn)间被炒得火热,大家(jiā)惊(jīng)喜(xǐ)地发现居然有这样一种小巧(qiǎo)、稳(wěn)定、可垂直(zhí)起降、机(jī)械(xiè)结构简单(dān)的飞(fēi)行器的存在。一时间研究者蜂拥而至,纷纷(fēn)开始多旋(xuán)翼飞行器的研发和使用(yòng)。而国(guó)内的爱好(hǎo)者(zhě)也纷纷研究,并(bìng)开(kāi)设论坛(tán)。虽然(rán)多旋翼的算法易懂,但组(zǔ)装一架(jià)多旋(xuán)翼却不是(shì)一件容(róng)易的事情。在早期研究阶段,科研人员把很多时间都花在(zài)了飞行器的组(zǔ)装调试环节。然而(ér),有能力开(kāi)发工艺的人往往(wǎng)缺乏对飞控的深入(rù)了(le)解,一般只是复(fù)现(xiàn)国(guó)外(wài)的技术,谈不上进一步对(duì)系统进行改(gǎi)进。当时(shí)既(jì)掌(zhǎng)握(wò)飞控技术又精(jīng)通多旋翼工艺(yì)的经常(cháng)是那些(xiē)原来从事固(gù)定翼或直升(shēng)机飞控的公司。德国(guó)Microdrones虽然较早地推出产品,但是工业级的四旋翼(yì)的(de)价格对于(yú)普通消费者来说简直是遥不可及。除此之外,消费级的Draganflyer 四旋(xuán)翼(yì)之(zhī)所(suǒ)以(yǐ)没有推广(guǎng)是因为其(qí)操控性及娱乐性不强(智能(néng)手机或平版(bǎn)电(diàn)脑(nǎo)还尚未(wèi)普及)、二次开发能力弱以及销售渠道窄(zhǎi)(当(dāng)时(shí)电商(shāng)网络处于初(chū)步发(fā)展阶段)。
复兴期:2010年至2013年
经过6年努力(2004年至2010年(nián)),法(fǎ)国Parrot公司于2010年推出消(xiāo)费级的AR.Drone四旋翼玩具,从而开启了多旋翼消(xiāo)费(fèi)的新时(shí)代。AR.Drone四旋翼(yì)在(zài)玩具市场非常成功,它的(de)技(jì)术和理念也十分领先。
第一,它采用光流技术,能够测(cè)量飞行器速度(dù),使得(dé)AR.Drone四(sì)旋翼(yì)(图3a)能够(gòu)在(zài)室内悬停。
第二(èr),可(kě)以做到(dào)一键起飞(fēi),操(cāo)控(kòng)性得到(dào)极大提升(shēng)。
第(dì)三,它采(cǎi)用(yòng)手(shǒu)机(jī)、平板电(diàn)脑或笔(bǐ)记(jì)本电脑控制,视频能够直(zhí)接(jiē)回传至电脑,娱(yú)乐感较强(qiáng)。
第四,整个飞行器(qì)为一体机(jī),并(bìng)带有防护装置,比较(jiào)安全。
第五,AR.Drone开放了API接口,供科研人员开发(fā)应用。
AR.Drone的成功(gōng)也引发了一些自(zì)驾仪研(yán)发公司的思考。两年(nián)后,大疆推出(chū)的小精灵Phantom一体(tǐ)机(jī)正是借鉴了其设计理念。伴随着苹(píng)果在iphoness上(shàng)大量应用加速计(jì)、陀螺(luó)仪、地(dì)磁传感器等,MEMS惯性传感器从2011年开始(shǐ)大规模兴起,6轴、9轴的惯性传感器也逐渐取代了单个(gè)传(chuán)感器,成本和功耗进(jìn)一步降低,成(chéng)本仅(jǐn)为几美元。另外GPS芯(xīn)片仅(jǐn)重0.3克,价格不到5美(měi)元。WiFi等通信芯(xīn)片被用于控(kòng)制和传输图像信息(xī),通信传输(shū)速度(dù)和质(zhì)量已经(jīng)可以充分满足几百米(mǐ)的(de)传输(shū)需求(qiú)。同时,电池能量密度(dù)不断增(zēng)加,使无(wú)人机(jī)在保持较轻的重量下,续航(háng)时间达到15-30分钟,基本满足日常的应用需求。近年来移(yí)动(dòng)终端同样促进了(le)锂电池、高像素摄像头性能的急剧提升和成本下降。这些都促进了多(duō)旋翼(yì)更进一步发展。
与(yǔ)此同时,学术界也开始高(gāo)度关注多旋翼技术。2012年(nián)2月,宾夕法尼亚(yà)大学的(de) V.Kumar 教授在 TED大(dà)会上做(zuò)出(chū)了四(sì)旋(xuán)翼飞(fēi)行器(qì)发展历史上里程碑(bēi)式的演讲(jiǎng),展示了(le)四(sì)旋翼的(de)灵活性以及编(biān)队协作(zuò)能力(lì)。这一场(chǎng)充满数学(xué)公式的演讲大受欢(huān)迎,它让世(shì)人看到了多旋翼的内在潜能。
2012年,美国工程师协会的机器人和(hé)自动化杂志(Robotics & Automation Magazine,IEEE)出版空中机器人和四旋翼(Aerial Robotics and the Quadrotor)专刊,总结了阶段性成果,展示了(le)当时最先进的技术。在(zài)这(zhè)期间(jiān),之前不具备多旋翼控制功能的开源(yuán)自驾仪(yí)增加了多旋翼这一(yī)功能,同时(shí)也有新的开(kāi)源自(zì)驾仪不断加入,这极(jí)大(dà)地(dì)降低了初(chū)学者的门(mén)槛,为多旋(xuán)翼产业发展(zhǎn)装上(shàng)了翅膀。
爆发期:2013年至今
2012年初,大疆推出小精灵(líng)Phantom一体机(jī)。Phantom与AR.Drone一样控(kòng)制简便,初学者很快(kuài)便(biàn)可上手。同(tóng)时,价格也(yě)能被普通消(xiāo)费者接受(shòu)。相比AR.Drone四旋翼飞行器,Phantom具备一定的(de)抗风性能(néng)、定位功能和载(zǎi)重能力,还可搭(dā)载(zǎi)小型相机。当时利用Gopro运(yùn)动相机拍摄(shè)极限(xiàn)运动已(yǐ)经(jīng)成为欧美年轻人竞相追逐的时尚潮流,因(yīn)此(cǐ)Phantom一体机一经(jīng)推出(chū)便(biàn)迅速(sù)走(zǒu)红。
连线杂(zá)志主编C.Anderson于2012年年底(dǐ)担任3D Robotics公司CEO,该公(gōng)司于2013年8月(yuè)推出Iris遥控四旋翼飞行器,于(yú)2014推出X8+四旋(xuán)翼(yì)飞(fēi)行(háng)器,并很(hěn)快(kuài)于2015年推出Solo四旋翼飞行器。

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