緣何青睞多旋翼
我們以目前電動的固定翼、直升機和多旋翼為例比較它們的用戶體驗：
在操控性方面，多旋翼的操控是最簡單的。它不需要跑道便可以垂直起降，起飛后可在空中懸停。它的操控原理簡單，操控器四個遙感操作對應飛行器的前后、左右、上下和偏航方向的運動。在自動駕駛儀方面，多旋翼自駕儀控制方法簡單，控制器參數調節(jié)也很簡單。相對而言，學習固定翼和直升機的飛行不是簡單的事情。固定翼飛行場地要求開闊，而直升機飛行過程中會產生通道間耦合，自駕儀控制器設計困難，控制器調節(jié)也很困難。
在可靠性方面，多旋翼也是表現最出色的。若僅考慮機械的可靠性，多旋翼沒有活動部件，它的可靠性基本上取決于無刷電機的可靠性，因此可靠性較高。相比較而言，固定翼和直升機有活動的機械連接部件，飛行過程中會產生磨損，導致可靠性下降。而且多旋翼能夠懸停，飛行范圍受控，相對固定翼更安全。
在勤務性方面，多旋翼的勤務性是最高的。因其結構簡單，若電機、電子調速器、電池、槳和機架損壞，很容易替換。而固定翼和直升機零件比較多，安裝也需要技巧，相對比較麻煩。
在續(xù)航性能方面，多旋翼的表現明顯弱于其他兩款，其能量轉換效率低下。
在承載性能方面，多旋翼也是三者中最差的。
對于這三種機型，操控性與飛機結構和飛行原理相關，是很難改變的。在可靠性和勤務性方面，多旋翼始終具備優(yōu)勢。隨著電池能量密度的不斷提升、材料的輕型化和機載設備的不斷小型化，多旋翼的優(yōu)勢將進一步凸顯。因此，在大眾市場，“剛性”體驗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。它的運動和簡單結構都依賴于螺旋槳及時的速度改變，以調整力和力矩，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。正是因為如此，直升機主要是靠改變槳距而不是速度來改變升力。第二，在大載重下，槳的剛性需要進一步提高。螺旋槳的上下振動會導致剛性大的槳很容易折斷，這與我們平時來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，它可以減少槳葉來回旋轉對槳葉根部的影響。正因為如此，為了減少槳葉的疲勞，直升機采用了一個容許槳葉在旋轉過程中上下運動的鉸鏈。如果要提供大載重，多旋翼也需要增加活動部件或加入涵道和整流片。這相當于一個多旋翼含有多個直升機結構。這樣多旋翼的可靠性和維護性就會急劇下降，優(yōu)勢也就不那么明顯了。當然，另一種增加多旋翼載重能力的可行方案便是增加槳葉數量，增至18個或32個槳。但該方式會極大地降低可靠性、維護性和續(xù)航性。種種原因使人們最終選擇了微小型多旋翼。
多旋翼爆紅的成因
沉寂期：1990年以前
早在1907年，法國C.Richet教授指導Breguet兄弟進行了他們的旋翼式直升機的飛行試驗，如圖1a，這是有記錄以來最早的構型。第一架成功飛行的垂直起降型四旋翼飛行器出現在20世紀20年代，但那時幾乎沒有人會用到它。1920年，E.Oemichen設計了第一個四旋翼飛行器的原型，但是第一次嘗試空運時失敗了。
之后在1921年B.G.De在美國俄亥俄州西南部城市代頓的美國空軍部建造了另一架如圖1c的大型四旋翼直升機，這架四旋翼飛機除飛行員外可承載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的飛機在經過重新設計之后(如圖1b所示)，于1924年實現了起飛并創(chuàng)造了當時直升機領域的世界紀錄，該直升機首次實現了14分鐘的飛行時間。E.Oemichen和B.G.De設計的四旋翼飛行器都是靠垂直于主旋翼的螺旋槳來推進，因此它們都不是真正的四旋翼飛行器。
早期四旋翼飛行器的設計受困于極差的發(fā)動機性能，飛行高度僅僅能達到幾米，因此在接下來的30年里，四旋翼飛行器的設計沒有取得多少進步。直到1956年，M.K.Adman設計的第一架真正的四旋翼飛行器ConvertawingsModel“A”(如圖1d)試飛取得巨大成功，這架飛機重達1噸，依靠兩個90馬力的發(fā)動機實現懸停和機動，對飛機的控制不再需要垂直于主旋翼的螺旋槳，而是通過改變主旋翼的推力來實現。然而，由于操作這架飛機的工作量繁重，且飛機在速度、載重量、飛行范圍、續(xù)航性等方面無法與傳統(tǒng)的飛行器競爭，因此人們對此失去了進一步研究的興趣，該研究被迫停止。
在20世紀50年代，美國陸軍繼續(xù)測試各種垂直起降方案。Curtiss-Wright是被邀請參與研制了VZ-7和杠桿燃氣渦輪機的幾家公司之一，杠桿燃氣渦輪機的出現提高了VZ-7的功率與重量比。因此，VZ-7被稱作“FlyingJeep”，如圖1(e)所示，其有效載重量為250千克，靠425馬力的杠桿燃氣渦輪發(fā)動機驅動。VZ-7的測試在1959年至1960年期間得到實現。雖然它相對穩(wěn)定，但是它未能達到軍方對高度和速度的要求，該計劃并沒有得到更進一步的推行。在1990年以前，慣性導航體積重量過大，動力系統(tǒng)載荷也不夠，因此當時多旋翼設計得很大。正如前面分析的，大尺寸的多旋翼并沒有那么大優(yōu)勢，與多旋翼相比，固定翼和直升機更適合發(fā)展大尺寸。在此之后的30年中，四旋翼飛行器的研發(fā)沒有取得太大的進展，幾近沉寂。
復蘇期：1990年至2005年
20世紀90年代之后，隨著微機電系統(tǒng)(MEMS, Micro-Electro-MechanicalSystem)研究的成熟，重量只有幾克的MEMS慣性導航系統(tǒng)被開發(fā)運用，使制作多旋翼飛行器的自動控制器成為現實。此外，由于四旋翼飛行器的概念與軍事試驗漸行漸遠，它開始以獨特的方式通過遙控玩具市場進入消費領域。
雖然MEMS慣性導航系統(tǒng)已被廣泛應用，但是MEMS傳感器數據噪音很大，不能直接讀取并使用，于是人們又花費大量的時間研究去除噪聲的各種數學算法。這些算法以及自動控制器本身通常需要運算速度較快的單片機，可當時的單片機運算速度有限，不足以滿足需求。接著科研人員又花費若干年理解多旋翼飛行器的非線性系統(tǒng)結構，并為其建模、設計控制算法、實現控制方案。因此，直到2005年左右，真正穩(wěn)定的多旋翼無人機自動控制器才被制作出來。
起步期：2005年至2010年
在生產制造方面，德國MicrodronesGmbH于2005年成立，2006年推出的md4-200四旋翼(如圖2a)系統(tǒng)開創(chuàng)了電動四旋翼在專業(yè)領域應用的先河，2010年推出的md4-1000四旋翼無人機系統(tǒng)，在全球專業(yè)無人機市場取得成功。另外，德國人H.Buss和I.Busker在2006年主導了一個四軸開源項目，從飛控到電調等全部開源，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。很快他們又進一步增加了組件，甚至使它半自主飛行。美國Spectrolutions公司在2004年推出DraganflyerIV四旋翼(如圖2b)，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。
在學術方面，2005年之后四旋翼飛行器繼續(xù)快速發(fā)展，更多的學術研究人員開始研究多旋翼，并搭建自己的四旋翼。之前一直被各種技術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)現居然有這樣一種小巧、穩(wěn)定、可垂直起降、機械結構簡單的飛行器的存在。一時間研究者蜂擁而至，紛紛開始多旋翼飛行器的研發(fā)和使用。而國內的愛好者也紛紛研究，并開設論壇。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，科研人員把很多時間都花在了飛行器的組裝調試環(huán)節(jié)。然而，有能力開發(fā)工藝的人往往缺乏對飛控的深入了解，一般只是復現國外的技術，談不上進一步對系統(tǒng)進行改進。當時既掌握飛控技術又精通多旋翼工藝的經常是那些原來從事固定翼或直升機飛控的公司。德國Microdrones雖然較早地推出產品，但是工業(yè)級的四旋翼的價格對于普通消費者來說簡直是遙不可及。除此之外，消費級的Draganflyer四旋翼之所以沒有推廣是因為其操控性及娛樂性不強(智能手機或平版電腦還尚未普及)、二次開發(fā)能力弱以及銷售渠道窄(當時電商網絡處于初步發(fā)展階段)。
復興期：2010年至2013年
經過6年努力(2004年至2010年)，法國Parrot公司于2010年推出消費級的AR.Drone四旋翼玩具，從而開啟了多旋翼消費的新時代。AR.Drone四旋翼在玩具市場非常成功，它的技術和理念也十分領先。第一，它采用光流技術，能夠測量飛行器速度，使得AR.Drone四旋翼(圖3a)能夠在室內懸停。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、平板電腦或筆記本電腦控制，視頻能夠直接回傳至電腦，娛樂感較強。第四，整個飛行器為一體機，并帶有防護裝置，比較安全。第五，AR.Drone開放了API接口，供科研人員開發(fā)應用。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(圖3b)正是借鑒了其設計理念。伴隨著蘋果在iPhone上大量應用加速計、陀螺儀、地磁傳感器等，MEMS慣性傳感器從2011年開始大規(guī)模興起，6軸、9軸的慣性傳感器也逐漸取代了單個傳感器，成本和功耗進一步降低，成本僅為幾美元。另外GPS芯片僅重0.3克，價格不到5美元。WiFi等通信芯片被用于控制和傳輸圖像信息，通信傳輸速度和質量已經可以充分滿足幾百米的傳輸需求。同時，電池能量密度不斷增加，使無人機在保持較輕的重量下，續(xù)航時間達到15-30分鐘，基本滿足日常的應用需求。近年來移動終端同樣促進了鋰電池、高像素攝像頭性能的急劇提升和成本下降。這些都促進了多旋翼更進一步發(fā)展。
與此同時，學術界也開始高度關注多旋翼技術。2012年2月，賓夕法尼亞大學的 V.Kumar 教授在TED大會[2]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協(xié)作能力。這一場充滿數學公式的演講大受歡迎，它讓世人看到了多旋翼的內在潛能。2012年，美國工程師協(xié)會的機器人和自動化雜志(Robotics& Automation Magazine,IEEE)出版空中機器人和四旋翼(Aerial Robotics and theQuadrotor)?？?，總結了階段性成果，展示了當時最先進的技術。在這期間，之前不具備多旋翼控制功能的開源自駕儀增加了多旋翼這一功能，同時也有新的開源自駕儀不斷加入，這極大地降低了初學者的門檻，為多旋翼產業(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。Phantom與AR.Drone一樣控制簡便，初學者很快便可上手。同時，價格也能被普通消費者接受。相比AR.Drone四旋翼飛行器，Phantom具備一定的抗風性能、定位功能和載重能力，還可搭載小型相機。當時利用Gopro運動相機拍攝極限運動已經成為歐美年輕人競相追逐的時尚潮流，因此Phantom一體機一經推出便迅速走紅。
連線雜志主編C.Anderson于2012年年底擔任3DRobotics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。
此時，學術界對于多旋翼的研究更偏向智能化、群體化。2013年，蘇黎世聯邦理工學院的R.D'Andrea教授在TEDGlobal的機器人實驗室展示了四旋翼的驚人運動機能。縱觀學術界的發(fā)展，以“四旋翼(quadrotor)”和“多旋翼(multirotor)”為關鍵詞的文獻在近年成井噴趨勢。這些研究往往具備前瞻性，將推動多旋翼產業(yè)未來的發(fā)展。
新技術促產業(yè)快速變革
多旋翼的性能會因其他技術的進步而進步，其相對固定翼和直升機的優(yōu)勢也會進一步凸顯。
動力技術
①新型電池。2015年，來自加拿大蒙特利爾的EnergyOr技術有限公司采用燃料電池的四旋翼進行了2小時12分鐘續(xù)航飛行。2015年4月6日，科學權威期刊《自然》網絡版刊登了一篇報道，一種鋁電池僅需60秒便能讓手機電力“滿血復活”。此外，石墨烯、鋁空氣、納米點這三項電池技術將成為未來電池世界的三大奇兵。這些新的電池技術有著十分迫切的需求，首先會被應用到手機和電動汽車，隨后可配備多旋翼。
②混合動力。2015年，美國初創(chuàng)公司Top FlightTechnologies開發(fā)出混合動力六旋翼無人機。它僅需要1加侖(約合3.78升)汽油便可以飛行兩個半小時(可飛行約160公里)，最高負重達20磅(約合9公斤)。
③地面供電。它采用地面供電，通過電纜將電能源源不斷輸送給多旋翼，例如Skysapience公司的Hoverlite。
④無線充電。來自德國柏林的初創(chuàng)公司SkySense在無人機戶外充電方面提供了一種解決方案，他們研發(fā)出一塊可以為無人機進行無線充電的平板。SkySense的最大特點是可以進行遠程控制，無人機的“降落—充電—起飛”全過程可以獨立實現，不需要人為進行現場干預和輔助。如果能夠縮短充電時間，那么無線充電技術將會極大地幫助多旋翼進行長途飛行。
導航技術
定位是導航中的關鍵技術，目前該領域發(fā)展迅速。
①GPS載波相位定位。來自美國的SwiftNavigation公司基于該項技術開發(fā)的Piksi是一個低耗電、高性能的具備RTK功能的厘米級的GPS接收器。它的小型化、高更新率和低能耗的特點使得它非常適合集成到自動駕駛飛行器和便攜的測量設備里。由日本東京海洋大學開發(fā)的RTKLIB開源項目(http://www./)也在積極推動RTK技術發(fā)展。
②多信息源定位。英國軍方BAE最近公布了他們研發(fā)的名為NAVSOP(Navigation via Signals ofOpportunity)技術。該技術將利用包括TV、收音機、WiFi等信息進行定位，彌補GPS 的不足。
③UWB (UltraWideband，超寬帶)無線定位。UWB信號具有低成本、抗多徑干擾、穿透能力強的優(yōu)勢，因此適用于靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤，提供十分精確的定位精度，靜態(tài)精度可達10厘米。通過與慣性導航傳感器融合，UWB可以提供更高的精度、更強的魯棒性。
對于多旋翼無人機，在飛行過程中，快速且準確地獲取自身速度能有效地提高多旋翼控制的穩(wěn)定性(提高阻尼)，從而達到更好的懸停和操控效果，因此測速工作起到了十分重要的作用。比較精確的測速方案是通過“視覺(光流)+超聲波+慣導”的融合。Ar.Drone是最早采用該項技術的多旋翼飛行器，它極大地提升了飛行器的可操控性。PX4自駕儀開源項目提供了開源的光流傳感器PX4Flow。該傳感器可以幫助多旋翼在無GPS情況下實現精確懸停。
為了使多旋翼完成更好的飛行，避障技術無疑能夠為其提供更加穩(wěn)定的導航性能。
①深度相機避障技術。它的原理是先對場景投影結構光，然后分析紅外傳感器接收的反光得到深度信息。微軟在2010年推出了深度相機Kinect。然而Kinect體積還是較大，并且在兩米之外才能準確地識別用戶手勢。2014年，芯片廠商英特爾推出RealSense傳感器，體積更小，使用距離更短。在2015年CES美國消費電子展上，英特爾把RealSense技術也應用到了無人機上，以用于感知周圍環(huán)境，進而自主避障。
②聲吶系統(tǒng)避障技術。Panoptes公司擬推出Bumper4避障系統(tǒng)。它由指向多個方向的超聲波傳感器組成，通過測量多個方向的距離來判斷障礙。
③“視覺+憶阻器”避障技術。美國 “BioInspired”公司期望利用視覺和憶阻器(具有短期記憶效果的電阻器)使系統(tǒng)具備識別和短期記憶功能，從而使無人機擁有避障的能力。
④雙目視覺避障技術。美國的Skydio公司采用兩個普通的攝像頭充當無人機的“眼睛”并研發(fā)出識別障礙軟件，從而使多旋翼無人機能夠具備識別障礙的能力，進而實現自我導航。
⑤微小型雷達。Echodyne公司利用一臺四軸無人機展示了它的小型電子掃描雷達。它可追蹤地面上的某個人，或是在飛行中躲避障礙物，不過目前它仍然處于原型階段。他們試圖將這款雷達的尺寸縮小到只有一臺iPhone6Plus大小，且重量不超過1磅。
無人機通常利用被跟蹤者身上放置的GPS裝置進行定位和跟蹤。這種方式會在某種程度上影響用戶體驗。除此之外，在沒有GPS信號的情況下，該方式就會失效。而且，對于非自愿攜帶GPS設備的用戶，該方式也是行不通的。
新的技術完全可以從視覺和雷達角度出發(fā)。視覺跟蹤技術方面，3DRobotics公司推出開源飛控應用Tower，它能夠使飛行器跟隨用戶，并將用戶保持在攝像頭中心。OpenCV開源軟件也同樣有很多跟蹤算法供飛行器開發(fā)。此外，采用小型電子掃描雷達也能夠實現新式的跟蹤模式。
交互技術
①手勢控制技術。在CES 2014的展場上，工作人員演示了利用MYO手勢控制臂帶來控制AR.Drone2.0四旋翼。用戶只要將臂帶戴在其中一只手上，并以兩只手指擊響便可啟動并控制該飛行器。智能手機、手環(huán)、手表、戒指等內置慣性傳感器的設備也可以識別操作者的手勢，用于控制多旋翼。
②腦機接口。它是指在人腦與計算機等外部設備之間建立直接的連接通路。通過對于腦電信息的分析解讀，將其進一步轉化為相應的動作，就像是在用“意念”操控物體。多家機構對該技術也展開了研究。布朗大學與猶他州BlackrockMicrosystems公司的研究員將此無線裝置商業(yè)化，他們將其粘附在人類頭骨上，并通過無線電發(fā)送由人腦植入設備收集的意識命令;Emotiv公司的EPOC可以檢測8種行為現象，識別出7種表情，從而使殘障人士具備控制飛行器的能力;浙江大學CCNT實驗室的研究人員演示了FlyingBuddy2系統(tǒng)—即用大腦控制四旋翼無人飛行器;葡萄牙里斯本的無人機公司Tekever推出了一種依靠腦電波操控的無人飛機。
通信技術
該項技術有助于信息共享，適用于交通管理或自身監(jiān)控等，比如將數據備份到云端進行云計算等。
①4G/5G通信技術。2013年6月17日，北京4G聯盟聯合無人機聯盟組織召開了4G聯盟與無人機聯盟交流研討會，旨在加強北京4G聯盟和無人機聯盟之間技術交流，尋找無人機機載載荷與4G設備儀器的聚焦，促進北京市信息產業(yè)發(fā)展。2015年，中國移動開發(fā)4G“超級空戰(zhàn)隊”設備，能支持航拍影像即拍即傳。
②WiFi通信技術。2013年，德國的卡爾斯魯厄理工學院開發(fā)出了一項新的無線廣域網技術，打破了最快的WiFi網絡速度紀錄，它可以讓1公里以外的用戶每秒鐘下載40GB大小的數據。由于這種設備的傳輸距離比普通WiFi路由器的覆蓋范圍要廣得多，因此這種設備很適合無人機航拍圖傳或光纖布放不方便的農村地區(qū)應用。
芯片技術
①在2015年CES上，高通和英特爾展示了功能更為豐富的多軸飛行器。例如，高通在CES上展示的SnapdragonCargo無人機是基于高通Snapdragon芯片開發(fā)出來的飛行控制器。它具備無線通信、傳感器集成和空間定位等功能。英特爾CEOBrianKrzanich也親自在CES上演示了他們的無人機，采用了四核的英特爾凌動(Atom)處理器的PCI-express定制卡。此外，活躍在機器人市場的歐洲處理器廠商XMOS也表示已經進入無人機領域。
②3DRobotics發(fā)表聲明與英特爾共同合作開發(fā)Edison芯片，這是一種新型微型處理芯片。雖然它只有一個硬幣的大小，卻具有個人電腦一樣的處理能力。
③目前，包括IBM在內的多家科技公司都在模擬大腦，開發(fā)神經元芯片。而一旦“神經形態(tài)”芯片被應用于無人機，自主反應、自動識別將會變得輕而易舉。
④未來飛行器上的MEMS產品會向集成化方向發(fā)展，例如三軸加速度與三軸陀螺儀結合而成的集成產品。手機芯片公司推出無線多合一芯片后，又推出了手機市場的定位與導航芯片。新一代定位芯片，將滿足可穿戴與無人機等差異化需求。不僅如此，新芯片內部還會直接集成控制算法。
⑤為了讓機器人應用能夠更好地感知環(huán)境，高通研究院正在開發(fā)一款機器視覺研究軟件開發(fā)工具包(SDK)，其中包含至關重要的計算機視覺技術，比如：視覺慣性測程、
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