四旋翼飞行器的发展与应用

摘 要：本文介绍了四旋翼飞行器的发展和四旋翼飞行器的基本原理，研究了四旋翼在航拍摄影、精确农业、电力巡检、快递运输等领域的应用方法以及存在问题，由此指出了四旋翼飞行器未来的发展方向。

关键词：四旋翼；应用

四旋翼飞行器是一种能够垂直起降、自主悬停的多旋翼飞行器，其研制涉及动力与能源、控制与导航、微机电技术和传感器技术等多个专业技术领域，因此可以作为一个优秀的交叉学科科研实验平台，并在航拍摄影、精确农业、电力巡检、物流运输等领域得到广泛应用。

1907 年，Breguet 兄弟设计制造了第一架四旋翼飞行器，但是飞行状态非常不稳定。之后Crutiss-Wright在20世纪50年代研制了Crutiss-Wright VZ7四旋翼，虽然解决了飞行稳定性的问题，但是因其速度和高度达不到使用要求而搁浅。在20世纪中后期，四旋翼飞行器因其稳定性、可控性和实用性较差，发展几乎处于停滞的状态[1]。

随着电池技术、微机电、微惯导以及飞行控制等技术的进步，四旋翼飞行器得到了迅速发展，在民用以及军事领域得到了广泛的关注与应用，更是为各大研究机构所青睐[2]。在NASA支持下，斯坦福大学设计出一款微型四旋翼飞行器Mesicopter，该项目的目标是实现自主飞行和多飞行器协同完成具体任务。麻省理工学院深入研究了无人机的集群控制技术，并成立无人机集群健康管理计划，该项目已经实现了包括多架四旋翼飞行器单位对目标进行连续搜索、复杂环境下对动态目标实施跟踪、多单位协同合作编队飞行在内的多项实验。宾夕法尼亚大学的Mellinger等人在四旋翼飞行器上安装了一个抓取装置，用于抓取并搬运物体，应用位姿控制器来进行位置补偿。

1 组成及原理

四旋翼飞行器一般可分为：能源模块、动力模塊、通信模块、控制导航模块。能源模块为飞行器提供动力能源；动力模块由旋翼、驱动装置组成，为飞行器提供升力；通信模块一般由地面站、遥控器、无线发射和无线接收装置组成；控制导航模块由控制器、传感器组成，传感器用来测量飞行器的实时姿态和位置信息，控制器再根据各个传感器反馈的状态信息，通过数据融合计算后生成飞行控制指令；载荷模块则根据应用需求而不同，如相机、红外等。

一般地，四旋翼飞行器改变电机转速，进而调整螺旋桨产生的升力来实现飞行器六自由度的姿态运动，这种设计理念使飞行器结构和动力学特性得到了大大的简化。四旋翼的相对两桨逆时针旋转，另一相对两桨顺时针旋转，这种反向对称结构代替了传统直升机尾旋翼。四旋翼飞行器可分为四种基本的控制方式，即垂直控制、横滚控制、俯仰控制、偏航控制。假设四旋翼飞行器设计为“X”型，四个电机起始转速相同；那么，同时增加或减小四个电机转速，可实现爬升、下降和悬停；增加相邻两桨电机转速，保持另一相邻两桨电机转速不变，可实现左右或前后运动；增加一相对两桨电机转速，减小另一相对两桨电机转速，可借助旋翼产生的反扭矩实现飞行器的偏航运动。

2 应用研究

近年来，四旋翼飞行器不只作为一个流行的平台在各种科学研究中广泛应用，在航拍、精确农业、电力线巡查、精确农业、快递物流等多个领域，四旋翼飞行器也都发挥了重要的作用。

最初四旋翼的兴起就源于其在航拍领域的有效应用，也是四旋翼飞行器应用最广泛、最成熟的领域。航拍主要是指四旋翼飞行器挂载高清相机或摄像机进行低空摄影，可用于影视拍摄、图像采集等任务。大疆DJI将先前无人机直升机的飞行控制系统改进后，应用到四旋翼飞行器上，解决了之前四旋翼飞行器存在的稳定性差、难操作的问题，由此推出PHANTOM系列四旋翼飞行器，其最新的PHANTOM4还增加了自动视觉避障功能。四旋翼飞行器在航拍的快速发展，引起全球范围的无人机热潮，推动了无人机的民用化进程。现阶段，四旋翼飞行器在航拍领域的应用越来越细化细分，主要面临监管缺失、航时较短等问题。

在精确农业领域，四旋翼飞行器主要应用于两个方面：一是农业信息的精准获取[3]，四旋翼飞行器可通过安装不同的传感器来获取田间地形地貌环境、病虫草害等信息，低空作业不受天气影响，且不会对农田造成采样性破坏，利于获得准确与清晰的农业信息，有着良好的发展前景。二是农药喷洒植保，四旋翼飞行器挂载药液进行低空喷洒作业，可通过旋翼产生的向下气流增加药雾对作物从的穿透，提高防治效果，也减小了人工作业的危险，此方法在国内外都得到广泛的应用，国内的大疆、极飞和零度智控都推出了面向农业植保的多旋翼飞行器。虽然四旋翼飞行器在精确农业领域应用潜力巨大，但也面临负载小、航时短等问题。

在电力巡检领域，四旋翼飞行器的作用逐渐得到显现，可搭载照相机、摄像机、红外热像仪、紫外成像仪等用于检测线路金具松脱、缺失和磨损，以及绝缘子劣化、破损或导地线断股等情况，成为输电线巡检系统的重要组成部分。国家电网供电公司已配备Q690四旋翼飞行器用于负责配电网的故障巡查工作。在巡视人员无法确定架空导线损伤程度的情况下，四旋翼飞行器成功地从空中拍摄到了故障点，清晰显示了导线断股数量，为迅速确定抢修方案、有效缩短抢修时间提供了支持。

在快递物流领域，多旋翼飞行器的应用也是前景无限。目前，亚马逊正在着手构建一个名为“Amazon Prime Air”无人机快递物流系统，目的是通过多旋翼飞行器将用户购买的商品送货上门。国内的京东也专门成立无人机部门，设计研发出多款多旋翼物流无人机，并在安徽、陕西等地进行了无人机快递投递的测试，在可预期的几年内有望取代人力投递。与此同时，顺丰速运也在进行多旋翼飞行器的快递测试，其目标主要在于实现包裹往人力配送较难、较慢的偏远地区的投递。同时，无人机的包裹投递也会引出航空监管、安全着落等一系列问题。

3 展望

随着未来技术发展，四旋翼飞行器在整体性能上将有显著提升，在多个领域的应用将会继续深入，并应用于新的领域，且趋向于规范化与规模化发展。

参考文献 ：

[1]王锋，吴江，周国庆，等.多旋翼飞行器发展概况研究[J].科技视界， 2015 （13）： 6-7.

[2]聂博文，马宏绪，王剑，等.微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术[J].电光与控制，2007，14（6）：113-117.

[3]姬江涛，扈菲菲，贺智涛，等.四旋翼无人机在农田信息获取中的应用[J].农机化研究，2013，35（2）：1-4.