摘 要:隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)和飛行自主控制技術(shù)的不斷發(fā)展,無人機這種原本主要應(yīng)用于軍事的設(shè)備逐漸走進了普通消費者的視野之中,其中又以小型旋翼無人機最為普遍。小型旋翼無人機是無人機的一種,其是指通過無線電遙控,能夠垂直起降并且具有一定自主飛行能力的小型不載人飛行器。小型旋翼無人機在航空拍攝、農(nóng)業(yè)植保、電路巡線中得到了廣泛的應(yīng)用,給人們的生產(chǎn)生活帶來了極大的便利。本文從小型旋翼無人機的概念講起,總結(jié)了小型旋翼無人機的分類、關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展,最后對小型旋翼無人機的未來做出一定的展望。

1 小型旋翼無人機概況 1.1 小型旋翼無人機簡介

小型旋翼無人機是一種具有旋翼結(jié)構(gòu),由無線電遙控的微機電系統(tǒng)集成的小型不載人飛行器。小型旋翼無人機能夠在飛行過程中實現(xiàn)垂直起降、自由懸停,具備自主飛行和著陸能力。小型旋翼無人機根據(jù)旋翼的數(shù)量,分為單旋翼無人機和多旋翼無人機。單旋翼無人機的結(jié)構(gòu)類似于直升機,其特點是續(xù)航較為持久。而多旋翼無人機又分為三旋翼、四旋翼、六旋翼、八旋翼等,相對于單旋翼,多旋翼無人機更為靈活穩(wěn)定,載重能力更強,操作相對簡單,所以得到了更加廣泛的應(yīng)用,見圖1。

通過搭載不同的設(shè)備,小型旋翼無人機可實現(xiàn)在各行業(yè)中的多種應(yīng)用:搭載相機,可用于航空拍攝、電路巡線、高空監(jiān)控、電影拍攝等;搭載農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)設(shè)備,可用于農(nóng)業(yè)植保;搭載測繪儀器,可用于地理勘測、地圖繪制等;搭載救援物資,可用于人道主義救援及物資運送;搭載包裹和信件,可實現(xiàn)精準(zhǔn)的無人快遞送貨。

“唯(維、惟)”是句首，句中語氣詞。[4]210如果用在判斷句中，則幫助表示判斷。[4]210-211上博楚簡三篇中“唯(維、惟)”皆為用于句首、句中的語氣詞。共14例。如：

1.2 小型旋翼無人機的發(fā)展和現(xiàn)狀

旋翼式飛機最早出現(xiàn)于20世紀(jì)初期,但在當(dāng)時并沒有受到人們的重視,只是在軍事上有小規(guī)模的應(yīng)用而已。在20世紀(jì)90年代后,隨著微機電系統(tǒng)的發(fā)展逐漸成熟,小型自動控制器成為現(xiàn)實,但由于單片機的運算速度有限,直到2005年,穩(wěn)定的小型旋翼無人機才被正式開發(fā)出來。隨后,小型旋翼無人機的開始進入人們的生活,隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬,小型旋翼無人機的發(fā)展在2013年進入爆發(fā)期,國內(nèi)外的一大批創(chuàng)業(yè)公司和投資者瘋狂進入,市場規(guī)模越來越大。

典型的MS/RS主要由高密度存儲貨架、提升機、多層穿梭車、軌道、控制系統(tǒng)和倉儲管理系統(tǒng)(Warehouse Management System，WMS)構(gòu)成。其中，多層穿梭車在貨架每層軌道上運行，負(fù)責(zé)貨物的水平運輸;提升機安裝在巷道口，負(fù)責(zé)貨物的垂直運輸，而DMS/RS的提升機單次可以運輸兩個貨物。單個貨架的示意圖及俯視圖如圖1和圖2所示。

圖1 小型多旋翼無人機分類

目前,我國無人機發(fā)展迅猛,已經(jīng)成為了備受關(guān)注的新興產(chǎn)業(yè)。我國主要的無人機生產(chǎn)企業(yè)有深圳大疆創(chuàng)新、廣州億航智能、北京零度智控等。其中,深圳市大疆創(chuàng)新在技術(shù)上是小型旋翼無人機行業(yè)的領(lǐng)跑者,占有全球無人機市場的50%份額。現(xiàn)在,國內(nèi)注冊的無人機企業(yè)已近萬家,無人機的產(chǎn)值也高達40億,而其中消費級的航拍無人機占最大份額,以下是幾款小型旋翼無人機對比:

從表1中可以看出,小型旋翼無人機的市場主要以四旋翼無人機為主流,這是因為四旋翼操作簡便,穩(wěn)定性高且成本較低。其功能大多集中于航拍,并且這類產(chǎn)品已經(jīng)從高精尖的技術(shù)人員下探到了普通消費者,特殊用途(如植保,救援,運輸)的無人機品種較少且價格較高。受限于機載電池的體積和容量,小型旋翼無人機的續(xù)航普遍不高,都在半小時左右。

2 小型旋翼無人機的技術(shù) 2.1 主要技術(shù)

小型旋翼無人機的主要結(jié)構(gòu)和各項技術(shù)決定了無人機的性能。小型旋翼無人機的組成如圖2所示。

2.1.1 機身

圖2 小型旋翼無人機組成

表1 市場流行航拍無人機對比

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圖3 小型旋翼無人機機身結(jié)構(gòu)

機身是飛行器的主體部分,位于旋翼無人機的中央。無人機的其他組件——電池、傳動系統(tǒng)、航空電子設(shè)備、傳感器等,根據(jù)重量對稱平衡原則均安裝在機身的不同位置上,如圖3所示。小型旋翼無人機的常用架構(gòu)模式有X字模式和十字模式,X字模式的效率更高,因此高性能的小型旋翼無人機多采用X字型架構(gòu)。小型旋翼無人機的機臂一般使用碳纖維圓管作為主要材料。碳纖維圓管的強度更高且不易變形,可以承受更大的外力。在機身材料的選擇上,通過玻璃纖維和樹脂的配合使用,機身重量大大減小同時機身強度有效提高,并使機身具有高耐熱性和耐腐蝕性,從而使無人機在各種環(huán)境下穩(wěn)定工作。

2.1.2 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)是產(chǎn)生動力并以一定方式傳遞動力使小型旋翼無人機產(chǎn)生移動的一套組件。傳動系統(tǒng)中主要包含了螺旋槳、電機、電子速度控制器和電池。電機是小型旋翼無人機的動力機構(gòu)。在小型旋翼無人機中,通常使用無刷電機,這一類電機產(chǎn)生的噪聲低,對飛行干擾小且更為高效可靠。常見的旋翼無人機的多個電機對稱分布在各個軸上,并且同一條軸線上電機的旋轉(zhuǎn)方向相同,相鄰的電機旋轉(zhuǎn)方向相反,以抵消陀螺效應(yīng)和動力扭矩,維持無人機的穩(wěn)定。電機與螺旋槳相連,控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向,螺旋槳是直接與空氣作用產(chǎn)生升力的裝置。較大的螺旋槳產(chǎn)生的升力越大,但同時效率也越低。在飛行過程中,無人機通過電子速度控制器對飛行速度進行調(diào)整,將直流電池產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)化為可供無刷電機使用的三相交流電源。電池是小型旋翼無人機的供電裝置,給電機和機載電子設(shè)備供電,一般以高密度鋰電池為主。旋翼無人機通過電子速度控制器傳輸信號,調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速,帶動螺旋槳的轉(zhuǎn)動,最終實現(xiàn)無人機的懸停、升降、前進等飛行狀態(tài)的調(diào)整。

2.1.3 飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)是無人機完成操作者操控的既定任務(wù)或?qū)崟r任務(wù)所必須的核心系統(tǒng)。飛行控制器由信號接收器、GPS、陀螺儀、電量顯示器、機載傳感器和機載計算機構(gòu)成。信號接收器用于接受由遙控裝置發(fā)出的信號。GPS模塊包括GPS接收器和磁力計,再與陀螺儀配合組成慣性導(dǎo)航控制系統(tǒng),搭載在小型旋翼無人機上可提供飛行器所處的經(jīng)緯度、高度、航跡方向和地速等信息。通過飛控系統(tǒng)各部分的協(xié)調(diào)運作,無人機可以實現(xiàn)多種飛行模式,如懸停、導(dǎo)航、跟隨等。機載計算機是飛控系統(tǒng)的中樞系統(tǒng),負(fù)責(zé)對旋翼無人機在飛行過程中的狀態(tài)進行運算并計算出最優(yōu)的動作方案,指揮旋翼無人機的飛行。飛控系統(tǒng)獲得從機載接收機發(fā)出的PWM信號,隨后把該信號轉(zhuǎn)化成控制量,再經(jīng)過PID調(diào)節(jié)把輸出量輸送給各個電機來控制無人機的動作。飛控系統(tǒng)通過電子速度控制器調(diào)控電機的轉(zhuǎn)速,以此實現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作,并調(diào)控外設(shè)設(shè)備。同時,飛控系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)終端的核心,會飛行過程中記錄無人機的飛行狀態(tài)、位置信息、任務(wù)情況和載荷數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娼K端。如果沒有飛控,無人機就會因為無法平衡安裝過程中零件不一致、各組成部分間不能相互配合等原因,而不能穩(wěn)定地飛行。

2.1.4 其他組成

小型旋翼無人機的其他主要組成還有遙控裝置、任務(wù)設(shè)備和通信模塊。對小型旋翼無人機的操控主要通過遙控裝置來實現(xiàn),遙控裝置包括遙控器和接收器。接收器安裝在飛行器上,為一個標(biāo)準(zhǔn)的遙控?zé)o線接收單元。遙控器用于發(fā)出電子信號控制小型旋翼無人機飛行并接受飛行器反饋的飛行信息。任務(wù)設(shè)備直接體現(xiàn)小型旋翼無人機的特定功能,小型旋翼無人機應(yīng)用于不同的領(lǐng)域時,會搭載不同的任務(wù)設(shè)備。數(shù)傳和圖傳是通信模塊的主要部件。數(shù)傳即以數(shù)字傳輸?shù)男问酵瓿娠w控系統(tǒng)和數(shù)傳終端間的數(shù)據(jù)信息交流,圖傳則是接受機載相機完成拍攝后的圖像傳輸。

2.2 主要問題

2.2.1 續(xù)航問題

2.問題的設(shè)置要有一定的啟發(fā)性。教師在進行問題設(shè)置時必須注意其啟發(fā)性，學(xué)生在思考的時候便會有一定的疑惑，這樣很容易讓學(xué)生為了問題進行爭論，這樣，學(xué)生的交流也會增多，學(xué)生的思維也很容易得到開發(fā)，比如說教師在教學(xué)時，設(shè)置問題啟發(fā)學(xué)生進行思考，并對學(xué)生進行一定引導(dǎo)，這樣學(xué)生在思考問題時，便會愿意更加積極地進行探索，從而不斷提高自身的思維創(chuàng)造力和探究性思維。教師在設(shè)置問題時，應(yīng)該設(shè)置一些靈活性比較強的題目，并對學(xué)生進行啟發(fā)，教會學(xué)生舉一反三，這樣學(xué)生的思維會更加靈活，很容易學(xué)會一類題的解法。

小型旋翼無人機的續(xù)航時間短是目前旋翼無人機產(chǎn)品與市場需求的主要矛盾。一般的電池只能使小型旋翼無人機續(xù)航20分鐘左右。受到普通的鋰電池能量密度小、直流電機電功率太大的局限,在面對需要較長時間的工作,例如快遞運送、地理測繪時,將會遇到很多問題。在未來,如果續(xù)航時間能夠上升到兩小時左右,就能滿足絕大部分的作業(yè)要求。

2.2.2 飛行穩(wěn)定性

時政講師。熟悉黨的理論路線方針政策，關(guān)注國家大事。研究宣講時政熱點。宣講方式：黨委中心學(xué)習(xí)小組宣講、形勢與政策宣講、思想政治理論課即《思想道德修養(yǎng)與法律基礎(chǔ)》《毛澤東思想和中國特色社會主義理論體系概論》安排一次宣講課、指導(dǎo)青年馬克思主義者協(xié)會宣講、利用主題班會宣講、校外宣講等。

雖然小型旋翼無人機相比于固定翼無人機更為穩(wěn)定,但其工作的環(huán)境也更為惡劣。小型旋翼無人機最主要的特點是能夠自主懸停,因此對于穩(wěn)定性的要求更高。小型旋翼無人機常在高空中進行工作,當(dāng)遇到強風(fēng)、雨天等極端環(huán)境時,無人機的飛行會受到影響。影響無人機穩(wěn)定性的主要因素有:飛行過程中的幾何風(fēng)阻,重心的位置,重量的分布,螺旋槳與傳動系統(tǒng)的匹配度(螺旋槳越輕反應(yīng)越快)和無人機的軟硬件配置(飛控等)。在這些方面,小型旋翼無人機還需進一步優(yōu)化。

2.2.3 載重能力

小型旋翼無人機在將來會在快遞運送、人道救援中大規(guī)模使用。但是目前無人機的承載重量十分有限,大多數(shù)無人機只能搭載重量較小的攝像頭。小型旋翼無人機的載重能力受到自身重量及其動力的限制,市場上的小型旋翼無人機大多只能搭載較小的應(yīng)用平臺,如小型攝像平臺。這一缺點直接導(dǎo)致了目前小型旋翼無人機應(yīng)用不寬廣的局面。

相比傳統(tǒng)工藝，因其廣義裝配式技術(shù)下的材料模數(shù)統(tǒng)一，工廠裝配等特點，質(zhì)量可控，減少現(xiàn)場現(xiàn)做構(gòu)件的成本，提升工效，各專業(yè)設(shè)計采用廣義裝配式材料，考慮各工種（如機電、室外園林）穿插施工，處于關(guān)鍵線路上的廣義裝配式技術(shù)（如結(jié)構(gòu)、建筑、精裝修等），預(yù)計可節(jié)約工期20d。

3 小型旋翼無人機的未來發(fā)展

目前,小型旋翼無人機在民用市場的份額逐漸上升,在航拍等領(lǐng)域展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢,但同時,小型旋翼無人機仍處于不斷發(fā)展優(yōu)化的過程中。本文認(rèn)為小型旋翼無人機將在續(xù)航能力、飛行穩(wěn)定性、載重能力、功能多樣化等方面進行突破。針對續(xù)航能力,目前主要提出了研制新型電池、應(yīng)用混合動力、無線充電等設(shè)想。隨著續(xù)航能力的提升,小型旋翼無人機可以廣泛運用于對工作時長要求較高的地理勘測、管道巡線等作業(yè)中。針對穩(wěn)定性,可以優(yōu)化無人機的自主控制系統(tǒng),使其在地圖測繪、高空監(jiān)控等高空作業(yè)中派上用場。針對載重能力,可以研究新型機身材料或是提高小型旋翼無人機的飛行動力,高載重的無人機將會被用于快遞運送和人道救援物資運送?？傊?以小型旋翼無人機為代表的民用無人空中系統(tǒng)正在世界范圍內(nèi)掀起發(fā)展熱潮。盡管此類系統(tǒng)的使用在政策監(jiān)管方面仍面臨不少問題,但它在各方面的應(yīng)用需求快速增長,有望在不久的將來成為閃耀的經(jīng)濟增長點。

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