沉寂期(qī):1990年(nián)以前
早在1907年,法国C.Richet教(jiāo)授(shòu)指导Breguet兄弟(dì)进行了(le)他们(men)的旋翼式(shì)直升机的飞(fēi)行(háng)试验,如图(tú)1a,这是有(yǒu)记录(lù)以(yǐ)来最早的构(gòu)型(xíng)。第一架(jià)成功飞行的垂直起降(jiàng)型四(sì)旋(xuán)翼飞行器出现在20世纪20年代,但那时几(jǐ)乎没有人会用到它。1920年,E.Oemichen设计了第一个四旋翼飞行器的原型,但是(shì)第一次尝试空运时失(shī)败了(le)。
之后在1921年B.G.De在美国俄(é)亥(hài)俄州西南部城市代(dài)顿(dùn)的(de)美国空军部建造了另一架如图1c的大型四旋(xuán)翼直升机(jī),这(zhè)架四(sì)旋翼飞机除飞行员外可承载3人,原本期望的飞行高度是100米,但是最终只飞到5米的(de)高度。E.Oemichen的飞机(jī)在经过重(chóng)新设计之后(如下图(tú)b所(suǒ)示),于1924年实现了起飞(fēi)并创造了当时直升(shēng)机领域的世界纪录,该直升机首次实现(xiàn)了(le)14分钟的飞行时间。E.Oemichen和B.G.De设计的四旋翼(yì)飞行器都(dōu)是靠垂(chuí)直于(yú)主旋翼(yì)的(de)螺旋(xuán)桨来推进,因此它(tā)们都不是真正的(de)四旋翼飞行器。
早期四旋翼飞行器的设计受困于极差(chà)的发动机性能,飞行高度仅仅能达到(dào)几(jǐ)米,因此在接下来(lái)的(de)30年里,四旋翼飞(fēi)行器的(de)设计没有取(qǔ)得多少进步。直(zhí)到(dào)1956年,M.K.Adman设计(jì)的第(dì)一架真正的(de)四(sì)旋翼飞行器Convertawings Model“A”试飞(fēi)取得巨(jù)大(dà)成功,这架飞机(jī)重达1吨,依靠两个90马力的发动机实现悬停和(hé)机动(dòng),对飞机的控制(zhì)不再(zài)需要垂直于主旋翼的螺旋桨,而是通(tōng)过改变主(zhǔ)旋翼的推力(lì)来实(shí)现。然而,由(yóu)于操作(zuò)这架飞(fēi)机的工作量繁重,且(qiě)飞机在速度(dù)、载重量、飞行范围、续(xù)航性(xìng)等方面(miàn)无(wú)法与传统的飞(fēi)行器(qì)竞争,因此人们对此失去了进一步研究的兴趣,该(gāi)研究被迫停止。
在20世(shì)纪50年代,美(měi)国(guó)陆军继续测(cè)试各(gè)种垂直起降方案。Curtiss-Wright是被邀请参与(yǔ)研制了VZ-7和杠杆燃气涡轮机的几家公司(sī)之一,杠杆燃气涡(wō)轮机的出(chū)现提(tí)高了VZ-7的功率(lǜ)与重量比。因此(cǐ),VZ-7被(bèi)称作(zuò)“Flying Jeep”,如(rú)图(e)所示,其有(yǒu)效载重量为250千克(kè),靠425马力的杠杆燃气涡轮发动机驱动。VZ-7的测试在1959年至1960年期(qī)间得(dé)到(dào)实现(xiàn)。虽然它相对稳定,但(dàn)是(shì)它未能达(dá)到(dào)军方对高度和速度的(de)要(yào)求,该计划并(bìng)没(méi)有(yǒu)得到更进一(yī)步的(de)推行(háng)。
在1990年以(yǐ)前,惯性(xìng)导航体积重量(liàng)过大,动力系统载荷也不够,因此当时多旋翼设计得很大(dà)。正如前面分析的,大尺(chǐ)寸的多旋翼并没有那么大优势(shì),与多旋(xuán)翼相比(bǐ),固定翼和直升机更适合发展(zhǎn)大尺寸。在此之后的30年中(zhōng),四旋(xuán)翼飞行器的研发没有取得(dé)太(tài)大的进(jìn)展,几近沉寂。
复(fù)苏期(qī):1990年至(zhì)2005年
20世纪(jì)90年代之后,随着微(wēi)机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)研究的成(chéng)熟,重量(liàng)只有几(jǐ)克的MEMS惯性导航系统被开发运用,使制作多旋翼飞行器的自(zì)动控制(zhì)器成为现实。此(cǐ)外(wài),由于四旋翼飞行器的概念与军事试验渐行渐远,它开始以独(dú)特的方(fāng)式通过遥控玩具市场进入(rù)消费领域。
虽然MEMS惯性(xìng)导(dǎo)航系统已被广泛应用,但(dàn)是(shì)MEMS传感器数据噪音很大,不能直(zhí)接读(dú)取并使用,于是人们又(yòu)花费大量的时间研究去除噪声的各种数学算法。这(zhè)些算法以及自动控制(zhì)器本身通常(cháng)需要运算速度较快的单片机,可当时的单片机运算(suàn)速度有(yǒu)限,不足以(yǐ)满足(zú)需求。接着科研人(rén)员又花费若干年(nián)理解(jiě)多旋翼(yì)飞行器的非线性系统结构,并为其建(jiàn)模、设计控制算(suàn)法(fǎ)、实现控(kòng)制方案(àn)。因此(cǐ),直(zhí)到2005年(nián)左右,真正稳定的多旋翼无人机自(zì)动控制(zhì)器才被制作出来。
起步期:2005年至2010年
在生产制(zhì)造方面,德国Microdrones GmbH于2005年成立,2006年推出的md4-200四(sì)旋翼(yì)(如图(tú)a)系统开(kāi)创了电动(dòng)四旋翼在专业(yè)领(lǐng)域应(yīng)用的先河,2010年推出的md4-1000四旋翼无人机系统,在(zài)全(quán)球专业无人机市场取得成功。另(lìng)外,德国人H.Buss和I.Busker在(zài)2006年主导了(le)一个四轴开(kāi)源项(xiàng)目,从飞(fēi)控到(dào)电(diàn)调等全部开源,推出了四轴飞行器最具参(cān)考的自驾(jià)仪Mikrokopter。2007年,配备Mikrokopter的四旋翼(yì)像“空中的钉(dìng)子”一般停留在(zài)空中。很(hěn)快(kuài)他们又进一(yī)步增(zēng)加(jiā)了组件,甚至使(shǐ)它半自主飞行。美国Spectrolutions公司在2004年推(tuī)出Draganflyer IV四旋翼(如下图b),并(bìng)随后在2006年推出了搭载SAVS(稳(wěn)定航拍视频(pín)系统)的版本。
在学术方(fāng)面,2005年之后四旋翼飞行器继续快速(sù)发展(zhǎn),更多的学术研究人员开始研究多旋翼,并(bìng)搭建自(zì)己的四旋翼。
之前一直被(bèi)各种技术瓶颈(jǐng)限制住的多(duō)旋翼飞行器系统瞬间被(bèi)炒得火(huǒ)热,大家惊喜(xǐ)地(dì)发现(xiàn)居然有(yǒu)这样一种小巧、稳定(dìng)、可垂(chuí)直起降、机械结(jié)构简单的飞(fēi)行(háng)器的存在。一(yī)时间研究(jiū)者蜂拥而至,纷纷开始多旋翼飞行器的研发和使用。而国(guó)内的(de)爱好者也纷(fēn)纷研究,并开设论坛。虽然(rán)多(duō)旋翼的算法(fǎ)易懂,但组装一架多旋翼却不是(shì)一(yī)件容易的事情。在早(zǎo)期研究阶段(duàn),科研人员把很多时间都花在了飞行器(qì)的组装调试环节。然而,有能(néng)力开(kāi)发工艺的人往(wǎng)往缺乏对飞(fēi)控的深(shēn)入了解,一般只是复现(xiàn)国外的技(jì)术,谈不上进一步对系统进行改进。当时既(jì)掌握飞控技术又精通多(duō)旋(xuán)翼(yì)工艺的经常是那(nà)些原来从事固定翼或直升(shēng)机(jī)飞控的公司。德国Microdrones虽(suī)然较早地推出产品,但(dàn)是工业级的四旋(xuán)翼的(de)价格对于普(pǔ)通消费者(zhě)来说简直是遥(yáo)不可及。除此之外,消费级的Draganflyer 四旋翼(yì)之所以没有推广是(shì)因为其(qí)操控性(xìng)及娱乐性(xìng)不强(智能手机或平(píng)版电脑还尚未(wèi)普及)、二次开发能力弱以及销售(shòu)渠道窄(当时电(diàn)商(shāng)网络(luò)处于初步发展阶段)。
复兴期:2010年至2013年
经过6年努力(2004年(nián)至2010年),法国Parrot公司于2010年(nián)推出消费级的AR.Drone四(sì)旋(xuán)翼(yì)玩具,从而(ér)开启(qǐ)了多旋翼(yì)消费的新(xīn)时代。AR.Drone四旋翼在玩具市场非常成功(gōng),它的技术和理(lǐ)念也十分领先(xiān)。
第一,它采用光流技术,能(néng)够测量飞(fēi)行器速度,使得AR.Drone四旋翼(图3a)能(néng)够在(zài)室内悬停。
第二,可以做到一键起飞,操控性得到极大提升(shēng)。
第三,它采用手(shǒu)机、平板电脑或笔记本电脑控制,视频能(néng)够直(zhí)接(jiē)回传至电脑,娱乐感较强。
第(dì)四,整(zhěng)个飞行器为一体机,并带有防(fáng)护装(zhuāng)置(zhì),比较(jiào)安全(quán)。
第五(wǔ),AR.Drone开放了API接口,供(gòng)科(kē)研人员开(kāi)发应用。
AR.Drone的成功也引发了一些自驾仪研发公司的思考。两年(nián)后,大(dà)疆(jiāng)推(tuī)出的小精(jīng)灵Phantom一体机正(zhèng)是借鉴了其设计(jì)理(lǐ)念。伴随着苹果在iphoness上大(dà)量(liàng)应用加速计、陀螺仪、地磁传(chuán)感器等,MEMS惯性传感器从2011年开始大规模兴起(qǐ),6轴(zhóu)、9轴的惯性传感器也逐(zhú)渐(jiàn)取(qǔ)代(dài)了单个传感器(qì),成本和功耗进一步降低,成本(běn)仅为几美元。另外GPS芯(xīn)片仅(jǐn)重0.3克,价格不到5美元。WiFi等通信芯(xīn)片被用于控(kòng)制和传(chuán)输图像信息,通(tōng)信传输速度和质量(liàng)已经可以充分(fèn)满足几百米的传输需求。同(tóng)时,电池能量密度不断增加,使无人机在保持较轻的重量下(xià),续航时间达(dá)到15-30分(fèn)钟(zhōng),基本满足日常的应用需求。近年(nián)来移动终端同样促进了锂电池、高像素摄像头(tóu)性(xìng)能的急剧(jù)提升和成本下降(jiàng)。这些都促进了多旋翼更进一步发展。
与此同时,学术(shù)界也开始(shǐ)高度关注多旋翼技术(shù)。2012年2月,宾夕法尼亚大学的 V.Kumar 教(jiāo)授在 TED大会上(shàng)做出了四旋翼飞行器发(fā)展历史上(shàng)里程碑(bēi)式的(de)演(yǎn)讲(jiǎng),展示了四(sì)旋翼的灵活性以及(jí)编队协作能力。这一场(chǎng)充满数学公(gōng)式的演讲(jiǎng)大(dà)受欢(huān)迎,它让世人看(kàn)到了多旋(xuán)翼的内在(zài)潜(qián)能(néng)。
2012年,美国工程师协会(huì)的机器人和(hé)自动化杂志(Robotics & Automation Magazine,IEEE)出版空中机器(qì)人和四旋翼(Aerial Robotics and the Quadrotor)专刊,总结了阶段性成(chéng)果,展示了当时最(zuì)先进的(de)技术。在这期间,之前不具备多(duō)旋(xuán)翼(yì)控制(zhì)功(gōng)能的开源(yuán)自驾仪增加了多旋翼这一功能,同时(shí)也(yě)有新的开(kāi)源自(zì)驾仪不断加入,这(zhè)极大地降(jiàng)低(dī)了初学者的(de)门槛,为多旋翼产业发展装上了(le)翅膀。
爆发期:2013年至今(jīn)
2012年初,大疆推出(chū)小精灵Phantom一体机。Phantom与AR.Drone一样控制(zhì)简便,初学者很快便可上(shàng)手(shǒu)。同时,价格也(yě)能(néng)被(bèi)普通消费者接(jiē)受。相比(bǐ)AR.Drone四旋翼(yì)飞行器,Phantom具备一定的抗风性能、定(dìng)位功能和载重能力(lì),还可搭载小(xiǎo)型相机。当(dāng)时利用(yòng)Gopro运(yùn)动相(xiàng)机拍(pāi)摄极限运动(dòng)已经成(chéng)为欧(ōu)美年轻人竞相追(zhuī)逐的时尚潮流,因此Phantom一体机一经推出便迅速走红。
连线杂志主(zhǔ)编C.Anderson于(yú)2012年(nián)年底担任(rèn)3D Robotics公司CEO,该(gāi)公司(sī)于(yú)2013年8月推(tuī)出Iris遥控四旋翼(yì)飞行器,于(yú)2014推出X8+四旋翼(yì)飞行器,并很快于2015年推出(chū)Solo四旋翼(yì)飞行(háng)器。

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