常見飛行器通常被分為固定翼、直升機和多旋翼（四旋翼最為主流）。在2010年之前，固定翼和直升機無論在航拍還是航模運動領(lǐng)域，基本上占有絕對主流的地位。然而，在之后的幾年中，因優(yōu)良的操控性能，多旋翼迅速成為航拍和航模運動領(lǐng)域的新星，但這仍然需要專業(yè)人員調(diào)試或裝配飛機。2012年底，中國大疆公司推出四旋翼一體機——小精靈Phantom。

　　無人機為什么偏愛多旋翼？這里有最全的解釋

　　因該產(chǎn)品極大地降低了航拍的難度和成本，獲得了廣大的消費群體，成為迄今為止最熱銷的產(chǎn)品。之后短短兩年間，圍繞著多旋翼飛行器相關(guān)創(chuàng)意、技術(shù)、產(chǎn)品、應(yīng)用和投資等新聞層出不窮。目前，多旋翼已經(jīng)成為微小型無人機或航模的主流。比如在2015年剛閉幕的中國國際模型博覽會和農(nóng)業(yè)展覽會上，我們隨處可見多旋翼的身影。隨著大疆產(chǎn)品的走熱、各種相關(guān)技術(shù)的不斷進步、開源飛控社區(qū)的推動、專業(yè)人才的不斷加入，以及資本的投入等等因素，多旋翼技術(shù)得到迅猛地發(fā)展。

　　對于目前多旋翼產(chǎn)品，一般分半自主控制方式和全自主控制方式。半自主控制方式是指自動駕駛儀的控制算法能夠保持多旋翼飛行器的姿態(tài)穩(wěn)定（或定點）等，但飛行器還是需要通過人員遙控操縱。在這種控制方式下，多旋翼屬于航模。全自主控制方式是指自動駕駛儀的控制算法能夠完成多旋翼飛行器航路點到航路點的位置控制以及自動起降等。在這種控制方式下，多旋翼屬于無人機，而地面人員此時進行任務(wù)級的規(guī)劃。作為無人機，多旋翼飛行器可以在無人駕駛的條件下完成復(fù)雜空中飛行任務(wù)和搭載各種負(fù)載任務(wù)，可以被看作是“空中機器人”。

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　　1、緣何青睞多旋翼

　　首先，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(yīng)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(shù)調(diào)節(jié)也很簡單。相對而言，學(xué)習(xí)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(chǎn)生通道間耦合，自駕儀控制器設(shè)計困難，控制器調(diào)節(jié)也很困難。

　　在可靠性方面，多旋翼也是表現(xiàn)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(chǎn)生磨損，導(dǎo)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(wù)性方面，多旋翼的勤務(wù)性是最高的。

　　因其結(jié)構(gòu)簡單，若電機、電子調(diào)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(xiàn)明顯弱于其他兩款，其能量轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)和飛行原理相關(guān)，是很難改變的。在可靠性和勤務(wù)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(shè)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(jié)構(gòu)都依賴于螺旋槳及時的速度改變，以調(diào)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(dǎo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)于一個多旋翼含有多個直升機結(jié)構(gòu)。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(dāng)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(shù)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。

　　2、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(dǎo)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(gòu)型。第一架成功飛行的垂直起降型四旋翼飛行器出現(xiàn)在20世紀(jì)20年代，但那時幾乎沒有人會用到它。1920年，E.Oemichen設(shè)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(jīng)過重新設(shè)計之后（如下圖b所示），于1924年實現(xiàn)了起飛并創(chuàng)造了當(dāng)時直升機領(lǐng)域的世界紀(jì)錄，該直升機首次實現(xiàn)了14分鐘的飛行時間。E.Oemichen和B.G.De設(shè)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。

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　　（早期的多旋翼）

　　早期四旋翼飛行器的設(shè)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(shè)計沒有取得多少進步。直到1956年，M.K.Adman設(shè)計的第一架真正的四旋翼飛行器Convertawings Model“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(xiàn)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(xiàn)。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(jì)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(xiàn)提高了VZ-7的功率與重量比。因此，VZ-7被稱作“Flying Jeep”，如圖(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(qū)動。VZ-7的測試在1959年至1960年期間得到實現(xiàn)。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(dǎo)航體積重量過大，動力系統(tǒng)載荷也不夠，因此當(dāng)時多旋翼設(shè)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(fù)蘇期：1990年至2005年

　　20世紀(jì)90年代之后，隨著微機電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）研究的成熟，重量只有幾克的MEMS慣性導(dǎo)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(xiàn)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(lǐng)域。

　　雖然MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用，但是MEMS傳感器數(shù)據(jù)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(shù)學(xué)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(dāng)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(jié)構(gòu)，并為其建模、設(shè)計控制算法、實現(xiàn)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(chǎn)制造方面，德國Microdrones GmbH于2005年成立，2006年推出的md4-200四旋翼（如圖a）系統(tǒng)開創(chuàng)了電動四旋翼在專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的先河，2010年推出的md4-1000四旋翼無人機系統(tǒng)，在全球?qū)I(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(dǎo)了一個四軸開源項目，從飛控到電調(diào)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Draganflyer IV四旋翼（如下圖b），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。

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　　在學(xué)術(shù)方面，2005年之后四旋翼飛行器繼續(xù)快速發(fā)展，更多的學(xué)術(shù)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(shù)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(xiàn)居然有這樣一種小巧、穩(wěn)定、可垂直起降、機械結(jié)構(gòu)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(nèi)的愛好者也紛紛研究，并開設(shè)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(diào)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(fù)現(xiàn)國外的技術(shù)，談不上進一步對系統(tǒng)進行改進。當(dāng)時既掌握飛控技術(shù)又精通多旋翼工藝的經(jīng)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(chǎn)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(dāng)時電商網(wǎng)絡(luò)處于初步發(fā)展階段）。

　　復(fù)興期：2010年至2013年

　　經(jīng)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(shù)和理念也十分領(lǐng)先。

　　第一，它采用光流技術(shù)，能夠測量飛行器速度，使得AR.Drone四旋翼(圖3a)能夠在室內(nèi)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(yīng)用。

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　　（四旋翼一體機產(chǎn)品）

　　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b)正是借鑒了其設(shè)計理念。伴隨著蘋果在iPhone上大量應(yīng)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(zhì)量已經(jīng)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(yīng)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(xué)術(shù)界也開始高度關(guān)注多旋翼技術(shù)。2012年2月，賓夕法尼亞大學(xué)的V.Kumar教授在TED大會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(shù)學(xué)公式的演講大受歡迎，它讓世人看到了多旋翼的內(nèi)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 the Quadrotor）專刊，總結(jié)了階段性成果，展示了當(dāng)時最先進的技術(shù)。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(xué)者的門檻，為多旋翼產(chǎn)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(xué)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(fēng)性能、定位功能和載重能力，還可搭載小型相機。當(dāng)時利用Gopro運動相機拍攝極限運動已經(jīng)成為歐美年輕人競相追逐的時尚潮流，因此Phantom一體機一經(jīng)推出便迅速走紅。

　　連線雜志主編C.Anderson于2012年年底擔(dān)任3D Robotics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。

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　　（多旋翼主要開源項目一覽表）

　　此時，學(xué)術(shù)界對于多旋翼的研究更偏向智能化、群體化。2013年，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)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?？v觀學(xué)術(shù)界的發(fā)展，以“四旋翼(quadrotor)”和“多旋翼（multirotor）”為關(guān)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(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展。

　　注：本文作者全權(quán)，北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院博士/副教授。