常見(jiàn)飛行器通常被分為固定翼、直升機(jī)和多旋翼（四旋翼最為主流）。在2010年之前，固定翼和直升機(jī)無(wú)論在航拍還是航模運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，基本上占有絕對(duì)主流的地位。然而，在之后的幾年中，因優(yōu)良的操控性能，多旋翼迅速成為航拍和航模運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的新星，但這仍然需要專(zhuān)業(yè)人員調(diào)試或裝配飛機(jī)。2012年底，中國(guó)大疆公司推出四旋翼一體機(jī)——小精靈Phantom。

　　無(wú)人機(jī)為什么偏愛(ài)多旋翼？這里有最全的解釋

　　因該產(chǎn)品極大地降低了航拍的難度和成本，獲得了廣大的消費(fèi)群體，成為迄今為止最熱銷(xiāo)的產(chǎn)品。之后短短兩年間，圍繞著多旋翼飛行器相關(guān)創(chuàng)意、技術(shù)、產(chǎn)品、應(yīng)用和投資等新聞層出不窮。目前，多旋翼已經(jīng)成為微小型無(wú)人機(jī)或航模的主流。比如在2015年剛閉幕的中國(guó)國(guó)際模型博覽會(huì)和農(nóng)業(yè)展覽會(huì)上，我們隨處可見(jiàn)多旋翼的身影。隨著大疆產(chǎn)品的走熱、各種相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步、開(kāi)源飛控社區(qū)的推動(dòng)、專(zhuān)業(yè)人才的不斷加入，以及資本的投入等等因素，多旋翼技術(shù)得到迅猛地發(fā)展。

　　對(duì)于目前多旋翼產(chǎn)品，一般分半自主控制方式和全自主控制方式。半自主控制方式是指自動(dòng)駕駛儀的控制算法能夠保持多旋翼飛行器的姿態(tài)穩(wěn)定（或定點(diǎn)）等，但飛行器還是需要通過(guò)人員遙控操縱。在這種控制方式下，多旋翼屬于航模。全自主控制方式是指自動(dòng)駕駛儀的控制算法能夠完成多旋翼飛行器航路點(diǎn)到航路點(diǎn)的位置控制以及自動(dòng)起降等。在這種控制方式下，多旋翼屬于無(wú)人機(jī)，而地面人員此時(shí)進(jìn)行任務(wù)級(jí)的規(guī)劃。作為無(wú)人機(jī)，多旋翼飛行器可以在無(wú)人駕駛的條件下完成復(fù)雜空中飛行任務(wù)和搭載各種負(fù)載任務(wù)，可以被看作是“空中機(jī)器人”。

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　　1、緣何青睞多旋翼

　　首先，我們以目前電動(dòng)的固定翼、直升機(jī)和多旋翼為例比較它們的用戶(hù)體驗(yàn)：

　　在操控性方面，多旋翼的操控是最簡(jiǎn)單的。

　　它不需要跑道便可以垂直起降，起飛后可在空中懸停。它的操控原理簡(jiǎn)單，操控器四個(gè)遙感操作對(duì)應(yīng)飛行器的前后、左右、上下和偏航方向的運(yùn)動(dòng)。在自動(dòng)駕駛儀方面，多旋翼自駕儀控制方法簡(jiǎn)單，控制器參數(shù)調(diào)節(jié)也很簡(jiǎn)單。相對(duì)而言，學(xué)習(xí)固定翼和直升機(jī)的飛行不是簡(jiǎn)單的事情。固定翼飛行場(chǎng)地要求開(kāi)闊，而直升機(jī)飛行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生通道間耦合，自駕儀控制器設(shè)計(jì)困難，控制器調(diào)節(jié)也很困難。

　　在可靠性方面，多旋翼也是表現(xiàn)最出色的。

　　若僅考慮機(jī)械的可靠性，多旋翼沒(méi)有活動(dòng)部件，它的可靠性基本上取決于無(wú)刷電機(jī)的可靠性，因此可靠性較高。相比較而言，固定翼和直升機(jī)有活動(dòng)的機(jī)械連接部件，飛行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致可靠性下降。而且多旋翼能夠懸停，飛行范圍受控，相對(duì)固定翼更安全。

　　在勤務(wù)性方面，多旋翼的勤務(wù)性是最高的。

　　因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，若電機(jī)、電子調(diào)速器、電池、槳和機(jī)架損壞，很容易替換。而固定翼和直升機(jī)零件比較多，安裝也需要技巧，相對(duì)比較麻煩。

　　在續(xù)航性能方面，多旋翼的表現(xiàn)明顯弱于其他兩款，其能量轉(zhuǎn)換效率低下。

　　在承載性能方面，多旋翼也是三者中最差的。

　　對(duì)于這三種機(jī)型，操控性與飛機(jī)結(jié)構(gòu)和飛行原理相關(guān)，是很難改變的。在可靠性和勤務(wù)性方面，多旋翼始終具備優(yōu)勢(shì)。隨著電池能量密度的不斷提升、材料的輕型化和機(jī)載設(shè)備的不斷小型化，多旋翼的優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步凸顯。因此，在大眾市場(chǎng)，“剛性”體驗(yàn)最終讓人們選擇了多旋翼。

　　然而，多旋翼也有自身的發(fā)展瓶頸。

　　它的運(yùn)動(dòng)和簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)都依賴(lài)于螺旋槳及時(shí)的速度改變，以調(diào)整力和力矩，該方式不宜推廣到更大尺寸的多旋翼。

　　第一，槳葉尺寸越大，越難迅速改變其速度。

　　正是因?yàn)槿绱?，直升機(jī)主要是靠改變槳距而不是速度來(lái)改變升力。

　　第二，在大載重下，槳的剛性需要進(jìn)一步提高。

　　螺旋槳的上下振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致剛性大的槳很容易折斷，這與我們平時(shí)來(lái)回折鐵絲便可將鐵絲折斷同理。因此，槳葉的柔性是很重要的，它可以減少槳葉來(lái)回旋轉(zhuǎn)對(duì)槳葉根部的影響。正因?yàn)槿绱耍瑸榱藴p少槳葉的疲勞，直升機(jī)采用了一個(gè)容許槳葉在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中上下運(yùn)動(dòng)的鉸鏈。如果要提供大載重，多旋翼也需要增加活動(dòng)部件或加入涵道和整流片。這相當(dāng)于一個(gè)多旋翼含有多個(gè)直升機(jī)結(jié)構(gòu)。這樣多旋翼的可靠性和維護(hù)性就會(huì)急劇下降，優(yōu)勢(shì)也就不那么明顯了。當(dāng)然，另一種增加多旋翼載重能力的可行方案便是增加槳葉數(shù)量，增至18個(gè)或32個(gè)槳。但該方式會(huì)極大地降低可靠性、維護(hù)性和續(xù)航性。種種原因使人們最終選擇了微小型多旋翼。

　　2、多旋翼爆紅的成因

　　沉寂期：1990年以前

　　早在1907年，法國(guó)C.Richet教授指導(dǎo)Breguet兄弟進(jìn)行了他們的旋翼式直升機(jī)的飛行試驗(yàn)，如圖1a，這是有記錄以來(lái)最早的構(gòu)型。第一架成功飛行的垂直起降型四旋翼飛行器出現(xiàn)在20世紀(jì)20年代，但那時(shí)幾乎沒(méi)有人會(huì)用到它。1920年，E.Oemichen設(shè)計(jì)了第一個(gè)四旋翼飛行器的原型，但是第一次嘗試空運(yùn)時(shí)失敗了。

　　之后在1921年B.G.De在美國(guó)俄亥俄州西南部城市代頓的美國(guó)空軍部建造了另一架如圖1c的大型四旋翼直升機(jī)，這架四旋翼飛機(jī)除飛行員外可承載3人，原本期望的飛行高度是100米，但是最終只飛到5米的高度。E.Oemichen的飛機(jī)在經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)之后（如下圖b所示），于1924年實(shí)現(xiàn)了起飛并創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)直升機(jī)領(lǐng)域的世界紀(jì)錄，該直升機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了14分鐘的飛行時(shí)間。E.Oemichen和B.G.De設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器都是靠垂直于主旋翼的螺旋槳來(lái)推進(jìn)，因此它們都不是真正的四旋翼飛行器。

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　　早期四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)受困于極差的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，飛行高度僅僅能達(dá)到幾米，因此在接下來(lái)的30年里，四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)沒(méi)有取得多少進(jìn)步。直到1956年，M.K.Adman設(shè)計(jì)的第一架真正的四旋翼飛行器Convertawings Model“A”（如圖1d）試飛取得巨大成功，這架飛機(jī)重達(dá)1噸，依靠?jī)蓚€(gè)90馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)懸停和機(jī)動(dòng)，對(duì)飛機(jī)的控制不再需要垂直于主旋翼的螺旋槳，而是通過(guò)改變主旋翼的推力來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，由于操作這架飛機(jī)的工作量繁重，且飛機(jī)在速度、載重量、飛行范圍、續(xù)航性等方面無(wú)法與傳統(tǒng)的飛行器競(jìng)爭(zhēng)，因此人們對(duì)此失去了進(jìn)一步研究的興趣，該研究被迫停止。

　　在20世紀(jì)50年代，美國(guó)陸軍繼續(xù)測(cè)試各種垂直起降方案。Curtiss-Wright是被邀請(qǐng)參與研制了VZ-7和杠桿燃?xì)鉁u輪機(jī)的幾家公司之一，杠桿燃?xì)鉁u輪機(jī)的出現(xiàn)提高了VZ-7的功率與重量比。因此，VZ-7被稱(chēng)作“Flying Jeep”，如圖(e)所示，其有效載重量為250千克，靠425馬力的杠桿燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。VZ-7的測(cè)試在1959年至1960年期間得到實(shí)現(xiàn)。雖然它相對(duì)穩(wěn)定，但是它未能達(dá)到軍方對(duì)高度和速度的要求，該計(jì)劃并沒(méi)有得到更進(jìn)一步的推行。

　　在1990年以前，慣性導(dǎo)航體積重量過(guò)大，動(dòng)力系統(tǒng)載荷也不夠，因此當(dāng)時(shí)多旋翼設(shè)計(jì)得很大。正如前面分析的，大尺寸的多旋翼并沒(méi)有那么大優(yōu)勢(shì)，與多旋翼相比，固定翼和直升機(jī)更適合發(fā)展大尺寸。在此之后的30年中，四旋翼飛行器的研發(fā)沒(méi)有取得太大的進(jìn)展，幾近沉寂。

　　復(fù)蘇期：1990年至2005年

　　20世紀(jì)90年代之后，隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）研究的成熟，重量只有幾克的MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)運(yùn)用，使制作多旋翼飛行器的自動(dòng)控制器成為現(xiàn)實(shí)。此外，由于四旋翼飛行器的概念與軍事試驗(yàn)漸行漸遠(yuǎn)，它開(kāi)始以獨(dú)特的方式通過(guò)遙控玩具市場(chǎng)進(jìn)入消費(fèi)領(lǐng)域。

　　雖然MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用，但是MEMS傳感器數(shù)據(jù)噪音很大，不能直接讀取并使用，于是人們又花費(fèi)大量的時(shí)間研究去除噪聲的各種數(shù)學(xué)算法。這些算法以及自動(dòng)控制器本身通常需要運(yùn)算速度較快的單片機(jī)，可當(dāng)時(shí)的單片機(jī)運(yùn)算速度有限，不足以滿(mǎn)足需求。接著科研人員又花費(fèi)若干年理解多旋翼飛行器的非線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并為其建模、設(shè)計(jì)控制算法、實(shí)現(xiàn)控制方案。因此，直到2005年左右，真正穩(wěn)定的多旋翼無(wú)人機(jī)自動(dòng)控制器才被制作出來(lái)。

　　起步期：2005年至2010年

　　在生產(chǎn)制造方面，德國(guó)Microdrones GmbH于2005年成立，2006年推出的md4-200四旋翼（如圖a）系統(tǒng)開(kāi)創(chuàng)了電動(dòng)四旋翼在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的先河，2010年推出的md4-1000四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，在全球?qū)I(yè)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)取得成功。另外，德國(guó)人H.Buss和I.Busker在2006年主導(dǎo)了一個(gè)四軸開(kāi)源項(xiàng)目，從飛控到電調(diào)等全部開(kāi)源，推出了四軸飛行器最具參考的自駕儀Mikrokopter。2007年，配備Mikrokopter的四旋翼像“空中的釘子”一般停留在空中。很快他們又進(jìn)一步增加了組件，甚至使它半自主飛行。美國(guó)Spectrolutions公司在2004年推出Draganflyer IV四旋翼（如下圖b），并隨后在2006年推出了搭載SAVS（穩(wěn)定航拍視頻系統(tǒng)）的版本。

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　　在學(xué)術(shù)方面，2005年之后四旋翼飛行器繼續(xù)快速發(fā)展，更多的學(xué)術(shù)研究人員開(kāi)始研究多旋翼，并搭建自己的四旋翼。

　　之前一直被各種技術(shù)瓶頸限制住的多旋翼飛行器系統(tǒng)瞬間被炒得火熱，大家驚喜地發(fā)現(xiàn)居然有這樣一種小巧、穩(wěn)定、可垂直起降、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的飛行器的存在。一時(shí)間研究者蜂擁而至，紛紛開(kāi)始多旋翼飛行器的研發(fā)和使用。而國(guó)內(nèi)的愛(ài)好者也紛紛研究，并開(kāi)設(shè)論壇。雖然多旋翼的算法易懂，但組裝一架多旋翼卻不是一件容易的事情。在早期研究階段，科研人員把很多時(shí)間都花在了飛行器的組裝調(diào)試環(huán)節(jié)。然而，有能力開(kāi)發(fā)工藝的人往往缺乏對(duì)飛控的深入了解，一般只是復(fù)現(xiàn)國(guó)外的技術(shù)，談不上進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。當(dāng)時(shí)既掌握飛控技術(shù)又精通多旋翼工藝的經(jīng)常是那些原來(lái)從事固定翼或直升機(jī)飛控的公司。德國(guó)Microdrones雖然較早地推出產(chǎn)品，但是工業(yè)級(jí)的四旋翼的價(jià)格對(duì)于普通消費(fèi)者來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直是遙不可及。除此之外，消費(fèi)級(jí)的Draganflyer四旋翼之所以沒(méi)有推廣是因?yàn)槠洳倏匦约皧蕵?lè)性不強(qiáng)（智能手機(jī)或平版電腦還尚未普及）、二次開(kāi)發(fā)能力弱以及銷(xiāo)售渠道窄（當(dāng)時(shí)電商網(wǎng)絡(luò)處于初步發(fā)展階段）。

　　復(fù)興期：2010年至2013年

　　經(jīng)過(guò)6年努力（2004年至2010年），法國(guó)Parrot公司于2010年推出消費(fèi)級(jí)的AR.Drone四旋翼玩具，從而開(kāi)啟了多旋翼消費(fèi)的新時(shí)代。AR.Drone四旋翼在玩具市場(chǎng)非常成功，它的技術(shù)和理念也十分領(lǐng)先。

　　第一，它采用光流技術(shù)，能夠測(cè)量飛行器速度，使得AR.Drone四旋翼(圖3a)能夠在室內(nèi)懸停。

　　第二，可以做到一鍵起飛，操控性得到極大提升。

　　第三，它采用手機(jī)、平板電腦或筆記本電腦控制，視頻能夠直接回傳至電腦，娛樂(lè)感較強(qiáng)。

　　第四，整個(gè)飛行器為一體機(jī)，并帶有防護(hù)裝置，比較安全。

　　第五，AR.Drone開(kāi)放了API接口，供科研人員開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

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　　（四旋翼一體機(jī)產(chǎn)品）

　　AR.Drone的成功也引發(fā)了一些自駕儀研發(fā)公司的思考。兩年后，大疆推出的小精靈Phantom一體機(jī)(圖b)正是借鑒了其設(shè)計(jì)理念。伴隨著蘋(píng)果在iPhone上大量應(yīng)用加速計(jì)、陀螺儀、地磁傳感器等，MEMS慣性傳感器從2011年開(kāi)始大規(guī)模興起，6軸、9軸的慣性傳感器也逐漸取代了單個(gè)傳感器，成本和功耗進(jìn)一步降低，成本僅為幾美元。另外GPS芯片僅重0.3克，價(jià)格不到5美元。WiFi等通信芯片被用于控制和傳輸圖像信息，通信傳輸速度和質(zhì)量已經(jīng)可以充分滿(mǎn)足幾百米的傳輸需求。同時(shí)，電池能量密度不斷增加，使無(wú)人機(jī)在保持較輕的重量下，續(xù)航時(shí)間達(dá)到15-30分鐘，基本滿(mǎn)足日常的應(yīng)用需求。近年來(lái)移動(dòng)終端同樣促進(jìn)了鋰電池、高像素?cái)z像頭性能的急劇提升和成本下降。這些都促進(jìn)了多旋翼更進(jìn)一步發(fā)展。

　　與此同時(shí)，學(xué)術(shù)界也開(kāi)始高度關(guān)注多旋翼技術(shù)。2012年2月，賓夕法尼亞大學(xué)的V.Kumar教授在TED大會(huì)上做出了四旋翼飛行器發(fā)展歷史上里程碑式的演講，展示了四旋翼的靈活性以及編隊(duì)協(xié)作能力。這一場(chǎng)充滿(mǎn)數(shù)學(xué)公式的演講大受歡迎，它讓世人看到了多旋翼的內(nèi)在潛能。

　　2012年，美國(guó)工程師協(xié)會(huì)的機(jī)器人和自動(dòng)化雜志（Robotics & Automation Magazine,IEEE）出版空中機(jī)器人和四旋翼（Aerial Robotics and the Quadrotor）專(zhuān)刊，總結(jié)了階段性成果，展示了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的技術(shù)。在這期間，之前不具備多旋翼控制功能的開(kāi)源自駕儀增加了多旋翼這一功能，同時(shí)也有新的開(kāi)源自駕儀不斷加入，這極大地降低了初學(xué)者的門(mén)檻，為多旋翼產(chǎn)業(yè)發(fā)展裝上了翅膀。

　　爆發(fā)期：2013年至今

　　2012年初，大疆推出小精靈Phantom一體機(jī)。Phantom與AR.Drone一樣控制簡(jiǎn)便，初學(xué)者很快便可上手。同時(shí)，價(jià)格也能被普通消費(fèi)者接受。相比AR.Drone四旋翼飛行器，Phantom具備一定的抗風(fēng)性能、定位功能和載重能力，還可搭載小型相機(jī)。當(dāng)時(shí)利用Gopro運(yùn)動(dòng)相機(jī)拍攝極限運(yùn)動(dòng)已經(jīng)成為歐美年輕人競(jìng)相追逐的時(shí)尚潮流，因此Phantom一體機(jī)一經(jīng)推出便迅速走紅。

　　連線雜志主編C.Anderson于2012年年底擔(dān)任3D Robotics公司CEO，該公司于2013年8月推出Iris遙控四旋翼飛行器，于2014推出X8+四旋翼飛行器，并很快于2015年推出Solo四旋翼飛行器。

　　無(wú)人機(jī)為什么偏愛(ài)多旋翼？這里有最全的解釋

　?。ǘ嘈碇饕_(kāi)源項(xiàng)目一覽表）

　　此時(shí)，學(xué)術(shù)界對(duì)于多旋翼的研究更偏向智能化、群體化。2013年，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的R.D'Andrea教授在TEDGlobal的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室展示了四旋翼的驚人運(yùn)動(dòng)機(jī)能?？v觀學(xué)術(shù)界的發(fā)展，以“四旋翼(quadrotor)”和“多旋翼（multirotor）”為關(guān)鍵詞的文獻(xiàn)在近年成井噴趨勢(shì)。這些研究往往具備前瞻性，將推動(dòng)多旋翼產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展。

　　注：本文作者全權(quán)，北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院博士/副教授。