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(wú)人機(jī)這種原本主要應(yīng)用于軍事的設(shè)備逐漸走進(jìn)了普通消費(fèi)者的視野之中,其中又以小型旋翼無(wú)人機(jī)最為普遍。小型旋翼無(wú)人機(jī)是無(wú)人機(jī)的一種,其是指通過(guò)無(wú)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(wú)人機(jī)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(lái)了極大的便利。本文從小型旋翼無(wú)人機(jī)的概念講起,總結(jié)了小型旋翼無(wú)人機(jī)的分類、關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展,最后對(duì)小型旋翼無(wú)人機(jī)的未來(lái)做出一定的展望。

1 小型旋翼無(wú)人機(jī)概況 1.1 小型旋翼無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)介

小型旋翼無(wú)人機(jī)是一種具有旋翼結(jié)構(gòu),由無(wú)線電遙控的微機(jī)電系統(tǒng)集成的小型不載人飛行器。小型旋翼無(wú)人機(jī)能夠在飛行過(guò)程中實(shí)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(wú)人機(jī)根據(jù)旋翼的數(shù)量,分為單旋翼無(wú)人機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)。單旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)類似于直升機(jī),其特點(diǎn)是續(xù)航較為持久。而多旋翼無(wú)人機(jī)又分為三旋翼、四旋翼、六旋翼、八旋翼等,相對(duì)于單旋翼,多旋翼無(wú)人機(jī)更為靈活穩(wěn)定,載重能力更強(qiáng),操作相對(duì)簡(jiǎn)單,所以得到了更加廣泛的應(yīng)用,見(jiàn)圖1。

通過(guò)搭載不同的設(shè)備,小型旋翼無(wú)人機(jī)可實(shí)現(xiàn)在各行業(yè)中的多種應(yīng)用:搭載相機(jī),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(cè)繪儀器,可用于地理勘測(cè)、地圖繪制等;搭載救援物資,可用于人道主義救援及物資運(yùn)送;搭載包裹和信件,可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的無(wú)人快遞送貨。

“唯(維、惟)”是句首，句中語(yǔ)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(jiǎn)三篇中“唯(維、惟)”皆為用于句首、句中的語(yǔ)氣詞。共14例。如：

1.2 小型旋翼無(wú)人機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)狀

旋翼式飛機(jī)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)初期,但在當(dāng)時(shí)并沒(méi)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(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展逐漸成熟,小型自動(dòng)控制器成為現(xiàn)實(shí),但由于單片機(jī)的運(yùn)算速度有限,直到2005年,穩(wěn)定的小型旋翼無(wú)人機(jī)才被正式開(kāi)發(fā)出來(lái)。隨后,小型旋翼無(wú)人機(jī)的開(kāi)始進(jìn)入人們的生活,隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬,小型旋翼無(wú)人機(jī)的發(fā)展在2013年進(jìn)入爆發(fā)期,國(guó)內(nèi)外的一大批創(chuàng)業(yè)公司和投資者瘋狂進(jìn)入,市場(chǎng)規(guī)模越來(lái)越大。

典型的MS/RS主要由高密度存儲(chǔ)貨架、提升機(jī)、多層穿梭車(chē)、軌道、控制系統(tǒng)和倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)(Warehouse Management System，WMS)構(gòu)成。其中，多層穿梭車(chē)在貨架每層軌道上運(yùn)行，負(fù)責(zé)貨物的水平運(yùn)輸;提升機(jī)安裝在巷道口，負(fù)責(zé)貨物的垂直運(yùn)輸，而DMS/RS的提升機(jī)單次可以運(yùn)輸兩個(gè)貨物。單個(gè)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(wú)人機(jī)分類

目前,我國(guó)無(wú)人機(jī)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(guó)主要的無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)行業(yè)的領(lǐng)跑者,占有全球無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的50%份額。現(xiàn)在,國(guó)內(nèi)注冊(cè)的無(wú)人機(jī)企業(yè)已近萬(wàn)家,無(wú)人機(jī)的產(chǎn)值也高達(dá)40億,而其中消費(fèi)級(jí)的航拍無(wú)人機(jī)占最大份額,以下是幾款小型旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)比:

從表1中可以看出,小型旋翼無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)主要以四旋翼無(wú)人機(jī)為主流,這是因?yàn)樗男聿僮骱?jiǎn)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(fèi)者,特殊用途(如植保,救援,運(yùn)輸)的無(wú)人機(jī)品種較少且價(jià)格較高。受限于機(jī)載電池的體積和容量,小型旋翼無(wú)人機(jī)的續(xù)航普遍不高,都在半小時(shí)左右。

2 小型旋翼無(wú)人機(jī)的技術(shù) 2.1 主要技術(shù)

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

2.1.1 機(jī)身

圖2 小型旋翼無(wú)人機(jī)組成

表1 市場(chǎng)流行航拍無(wú)人機(jī)對(duì)比

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圖3 小型旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)

機(jī)身是飛行器的主體部分,位于旋翼無(wú)人機(jī)的中央。無(wú)人機(jī)的其他組件——電池、傳動(dòng)系統(tǒng)、航空電子設(shè)備、傳感器等,根據(jù)重量對(duì)稱平衡原則均安裝在機(jī)身的不同位置上,如圖3所示。小型旋翼無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)多采用X字型架構(gòu)。小型旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)臂一般使用碳纖維圓管作為主要材料。碳纖維圓管的強(qiáng)度更高且不易變形,可以承受更大的外力。在機(jī)身材料的選擇上,通過(guò)玻璃纖維和樹(shù)脂的配合使用,機(jī)身重量大大減小同時(shí)機(jī)身強(qiáng)度有效提高,并使機(jī)身具有高耐熱性和耐腐蝕性,從而使無(wú)人機(jī)在各種環(huán)境下穩(wěn)定工作。

2.1.2 動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)是產(chǎn)生動(dòng)力并以一定方式傳遞動(dòng)力使小型旋翼無(wú)人機(jī)產(chǎn)生移動(dòng)的一套組件。傳動(dòng)系統(tǒng)中主要包含了螺旋槳、電機(jī)、電子速度控制器和電池。電機(jī)是小型旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)。在小型旋翼無(wú)人機(jī)中,通常使用無(wú)刷電機(jī),這一類電機(jī)產(chǎn)生的噪聲低,對(duì)飛行干擾小且更為高效可靠。常見(jiàn)的旋翼無(wú)人機(jī)的多個(gè)電機(jī)對(duì)稱分布在各個(gè)軸上,并且同一條軸線上電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相同,相鄰的電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反,以抵消陀螺效應(yīng)和動(dòng)力扭矩,維持無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定。電機(jī)與螺旋槳相連,控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)效率也越低。在飛行過(guò)程中,無(wú)人機(jī)通過(guò)電子速度控制器對(duì)飛行速度進(jìn)行調(diào)整,將直流電池產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)化為可供無(wú)刷電機(jī)使用的三相交流電源。電池是小型旋翼無(wú)人機(jī)的供電裝置,給電機(jī)和機(jī)載電子設(shè)備供電,一般以高密度鋰電池為主。旋翼無(wú)人機(jī)通過(guò)電子速度控制器傳輸信號(hào),調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,帶動(dòng)螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng),最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的懸停、升降、前進(jìn)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(wú)人機(jī)完成操作者操控的既定任務(wù)或?qū)崟r(shí)任務(wù)所必須的核心系統(tǒng)。飛行控制器由信號(hào)接收器、GPS、陀螺儀、電量顯示器、機(jī)載傳感器和機(jī)載計(jì)算機(jī)構(gòu)成。信號(hào)接收器用于接受由遙控裝置發(fā)出的信號(hào)。GPS模塊包括GPS接收器和磁力計(jì),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(wú)人機(jī)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(guò)飛控系統(tǒng)各部分的協(xié)調(diào)運(yùn)作,無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)多種飛行模式,如懸停、導(dǎo)航、跟隨等。機(jī)載計(jì)算機(jī)是飛控系統(tǒng)的中樞系統(tǒng),負(fù)責(zé)對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中的狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)算并計(jì)算出最優(yōu)的動(dòng)作方案,指揮旋翼無(wú)人機(jī)的飛行。飛控系統(tǒng)獲得從機(jī)載接收機(jī)發(fā)出的PWM信號(hào),隨后把該信號(hào)轉(zhuǎn)化成控制量,再經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)把輸出量輸送給各個(gè)電機(jī)來(lái)控制無(wú)人機(jī)的動(dòng)作。飛控系統(tǒng)通過(guò)電子速度控制器調(diào)控電機(jī)的轉(zhuǎn)速,以此實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作,并調(diào)控外設(shè)設(shè)備。同時(shí),飛控系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)終端的核心,會(huì)飛行過(guò)程中記錄無(wú)人機(jī)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(méi)有飛控,無(wú)人機(jī)就會(huì)因?yàn)闊o(wú)法平衡安裝過(guò)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(wú)人機(jī)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(duì)小型旋翼無(wú)人機(jī)的操控主要通過(guò)遙控裝置來(lái)實(shí)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(gè)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(hào)控制小型旋翼無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)的特定功能,小型旋翼無(wú)人機(jī)應(yīng)用于不同的領(lǐng)域時(shí),會(huì)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(jī)載相機(jī)完成拍攝后的圖像傳輸。

2.2 主要問(wèn)題

2.2.1 續(xù)航問(wèn)題

2.問(wèn)題的設(shè)置要有一定的啟發(fā)性。教師在進(jìn)行問(wèn)題設(shè)置時(shí)必須注意其啟發(fā)性，學(xué)生在思考的時(shí)候便會(huì)有一定的疑惑，這樣很容易讓學(xué)生為了問(wèn)題進(jìn)行爭(zhēng)論，這樣，學(xué)生的交流也會(huì)增多，學(xué)生的思維也很容易得到開(kāi)發(fā)，比如說(shuō)教師在教學(xué)時(shí)，設(shè)置問(wèn)題啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行思考，并對(duì)學(xué)生進(jìn)行一定引導(dǎo)，這樣學(xué)生在思考問(wèn)題時(shí)，便會(huì)愿意更加積極地進(jìn)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(wèn)題時(shí)，應(yīng)該設(shè)置一些靈活性比較強(qiáng)的題目，并對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)，教會(huì)學(xué)生舉一反三，這樣學(xué)生的思維會(huì)更加靈活，很容易學(xué)會(huì)一類題的解法。

小型旋翼無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間短是目前旋翼無(wú)人機(jī)產(chǎn)品與市場(chǎng)需求的主要矛盾。一般的電池只能使小型旋翼無(wú)人機(jī)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(jī)電功率太大的局限,在面對(duì)需要較長(zhǎng)時(shí)間的工作,例如快遞運(yùn)送、地理測(cè)繪時(shí),將會(huì)遇到很多問(wèn)題。在未來(lái),如果續(xù)航時(shí)間能夠上升到兩小時(shí)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(shí)政講師。熟悉黨的理論路線方針政策，關(guān)注國(guó)家大事。研究宣講時(shí)政熱點(diǎn)。宣講方式：黨委中心學(xué)習(xí)小組宣講、形勢(shì)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(guó)特色社會(huì)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(huì)宣講、利用主題班會(huì)宣講、校外宣講等。

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

2.2.3 載重能力

小型旋翼無(wú)人機(jī)在將來(lái)會(huì)在快遞運(yùn)送、人道救援中大規(guī)模使用。但是目前無(wú)人機(jī)的承載重量十分有限,大多數(shù)無(wú)人機(jī)只能搭載重量較小的攝像頭。小型旋翼無(wú)人機(jī)的載重能力受到自身重量及其動(dòng)力的限制,市場(chǎng)上的小型旋翼無(wú)人機(jī)大多只能搭載較小的應(yīng)用平臺(tái),如小型攝像平臺(tái)。這一缺點(diǎn)直接導(dǎo)致了目前小型旋翼無(wú)人機(jī)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(diǎn)，質(zhì)量可控，減少現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)做構(gòu)件的成本，提升工效，各專業(yè)設(shè)計(jì)采用廣義裝配式材料，考慮各工種（如機(jī)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(jì)可節(jié)約工期20d。

3 小型旋翼無(wú)人機(jī)的未來(lái)發(fā)展

目前,小型旋翼無(wú)人機(jī)在民用市場(chǎng)的份額逐漸上升,在航拍等領(lǐng)域展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì),但同時(shí),小型旋翼無(wú)人機(jī)仍處于不斷發(fā)展優(yōu)化的過(guò)程中。本文認(rèn)為小型旋翼無(wú)人機(jī)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(jìn)行突破。針對(duì)續(xù)航能力,目前主要提出了研制新型電池、應(yīng)用混合動(dòng)力、無(wú)線充電等設(shè)想。隨著續(xù)航能力的提升,小型旋翼無(wú)人機(jī)可以廣泛運(yùn)用于對(duì)工作時(shí)長(zhǎng)要求較高的地理勘測(cè)、管道巡線等作業(yè)中。針對(duì)穩(wěn)定性,可以優(yōu)化無(wú)人機(jī)的自主控制系統(tǒng),使其在地圖測(cè)繪、高空監(jiān)控等高空作業(yè)中派上用場(chǎng)。針對(duì)載重能力,可以研究新型機(jī)身材料或是提高小型旋翼無(wú)人機(jī)的飛行動(dòng)力,高載重的無(wú)人機(jī)將會(huì)被用于快遞運(yùn)送和人道救援物資運(yùn)送。總之,以小型旋翼無(wú)人機(jī)為代表的民用無(wú)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(wèn)題,但它在各方面的應(yīng)用需求快速增長(zhǎng),有望在不久的將來(lái)成為閃耀的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

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