常見飛行器通常被分為固定翼,、直升機(jī)和多旋翼（四旋翼最為主流）,。在2010年之前，固定翼和直升機(jī)無論在航拍還是航模運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域,，基本上占有絕對(duì)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(yùn)動(dòng)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(jī),。2012年底,，中國(guó)大疆公司推出四旋翼一體機(jī)——小精靈Phantom。

　　無人機(jī)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(fèi)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(jī)或航模的主流,。比如在2015年剛閉幕的中國(guó)國(guó)際模型博覽會(huì)和農(nóng)業(yè)展覽會(huì)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(jìn)步、開源飛控社區(qū)的推動(dòng),、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(duì)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(dòng)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(diǎn)）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(dòng)駕駛儀的控制算法能夠完成多旋翼飛行器航路點(diǎn)到航路點(diǎn)的位置控制以及自動(dòng)起降等,。在這種控制方式下，多旋翼屬于無人機(jī),，而地面人員此時(shí)進(jìn)行任務(wù)級(jí)的規(guī)劃,。作為無人機(jī)，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(jī)器人”,。

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　　1,、緣何青睞多旋翼

　　首先,，我們以目前電動(dòng)的固定翼、直升機(jī)和多旋翼為例比較它們的用戶體驗(yàn)：

　　在操控性方面,，多旋翼的操控是最簡(jiǎn)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(jiǎn)單,，操控器四個(gè)遙感操作對(duì)應(yīng)飛行器的前后、左右,、上下和偏航方向的運(yùn)動(dòng),。在自動(dòng)駕駛儀方面，多旋翼自駕儀控制方法簡(jiǎn)單,，控制器參數(shù)調(diào)節(jié)也很簡(jiǎn)單,。相對(duì)而言，學(xué)習(xí)固定翼和直升機(jī)的飛行不是簡(jiǎn)單的事情,。固定翼飛行場(chǎng)地要求開闊,，而直升機(jī)飛行過程中會(huì)產(chǎn)生通道間耦合，自駕儀控制器設(shè)計(jì)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(jī)械的可靠性,，多旋翼沒有活動(dòng)部件，它的可靠性基本上取決于無刷電機(jī)的可靠性,，因此可靠性較高,。相比較而言，固定翼和直升機(jī)有活動(dòng)的機(jī)械連接部件,，飛行過程中會(huì)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(duì)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(jiǎn)單,，若電機(jī)、電子調(diào)速器,、電池,、槳和機(jī)架損壞，很容易替換,。而固定翼和直升機(jī)零件比較多,，安裝也需要技巧，相對(duì)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(duì)于這三種機(jī)型,，操控性與飛機(jī)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(shì),。隨著電池能量密度的不斷提升、材料的輕型化和機(jī)載設(shè)備的不斷小型化,，多旋翼的優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步凸顯,。因此，在大眾市場(chǎng),，“剛性”體驗(yàn)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(yùn)動(dòng)和簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)都依賴于螺旋槳及時(shí)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?yàn)槿绱?，直升機(jī)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(jìn)一步提高,。

　　螺旋槳的上下振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致剛性大的槳很容易折斷，這與我們平時(shí)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(duì)槳葉根部的影響,。正因?yàn)槿绱耍瑸榱藴p少槳葉的疲勞,，直升機(jī)采用了一個(gè)容許槳葉在旋轉(zhuǎn)過程中上下運(yùn)動(dòng)的鉸鏈,。如果要提供大載重，多旋翼也需要增加活動(dòng)部件或加入涵道和整流片,。這相當(dāng)于一個(gè)多旋翼含有多個(gè)直升機(jī)結(jié)構(gòu),。這樣多旋翼的可靠性和維護(hù)性就會(huì)急劇下降，優(yōu)勢(shì)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(gè)或32個(gè)槳,。但該方式會(huì)極大地降低可靠性,、維護(hù)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(guó)C.Richet教授指導(dǎo)Breguet兄弟進(jìn)行了他們的旋翼式直升機(jī)的飛行試驗(yàn),，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(shí)幾乎沒有人會(huì)用到它,。1920年，E.Oemichen設(shè)計(jì)了第一個(gè)四旋翼飛行器的原型,，但是第一次嘗試空運(yùn)時(shí)失敗了,。

　　之后在1921年B.G.De在美國(guó)俄亥俄州西南部城市代頓的美國(guó)空軍部建造了另一架如圖1c的大型四旋翼直升機(jī)，這架四旋翼飛機(jī)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(jī)在經(jīng)過重新設(shè)計(jì)之后（如下圖b所示）,，于1924年實(shí)現(xiàn)了起飛并創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)直升機(jī)領(lǐng)域的世界紀(jì)錄,，該直升機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了14分鐘的飛行時(shí)間。E.Oemichen和B.G.De設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器都是靠垂直于主旋翼的螺旋槳來推進(jìn),，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(jì)受困于極差的發(fā)動(dòng)機(jī)性能,，飛行高度僅僅能達(dá)到幾米,，因此在接下來的30年里，四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)沒有取得多少進(jìn)步,。直到1956年,，M.K.Adman設(shè)計(jì)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(jī)重達(dá)1噸,，依靠?jī)蓚€(gè)90馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)懸停和機(jī)動(dòng),，對(duì)飛機(jī)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(shí)現(xiàn),。然而,，由于操作這架飛機(jī)的工作量繁重，且飛機(jī)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(jìng)爭(zhēng),，因此人們對(duì)此失去了進(jìn)一步研究的興趣,，該研究被迫停止。

　　在20世紀(jì)50年代,，美國(guó)陸軍繼續(xù)測(cè)試各種垂直起降方案,。Curtiss-Wright是被邀請(qǐng)參與研制了VZ-7和杠桿燃?xì)鉁u輪機(jī)的幾家公司之一，杠桿燃?xì)鉁u輪機(jī)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?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。VZ-7的測(cè)試在1959年至1960年期間得到實(shí)現(xiàn),。雖然它相對(duì)穩(wěn)定,，但是它未能達(dá)到軍方對(duì)高度和速度的要求，該計(jì)劃并沒有得到更進(jìn)一步的推行,。

　　在1990年以前,，慣性導(dǎo)航體積重量過大，動(dòng)力系統(tǒng)載荷也不夠,，因此當(dāng)時(shí)多旋翼設(shè)計(jì)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(shì)，與多旋翼相比,，固定翼和直升機(jī)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(jìn)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(jī)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(yùn)用,，使制作多旋翼飛行器的自動(dòng)控制器成為現(xiàn)實(shí)。此外,，由于四旋翼飛行器的概念與軍事試驗(yàn)漸行漸遠(yuǎn),，它開始以獨(dú)特的方式通過遙控玩具市場(chǎng)進(jìn)入消費(fèi)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(fèi)大量的時(shí)間研究去除噪聲的各種數(shù)學(xué)算法,。這些算法以及自動(dòng)控制器本身通常需要運(yùn)算速度較快的單片機(jī)，可當(dāng)時(shí)的單片機(jī)運(yùn)算速度有限,，不足以滿足需求,。接著科研人員又花費(fèi)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(jì)控制算法,、實(shí)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(jī)自動(dòng)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(guó)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(dòng)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(jī)系統(tǒng),，在全球?qū)I(yè)無人機(jī)市場(chǎng)取得成功,。另外，德國(guó)人H.Buss和I.Busker在2006年主導(dǎo)了一個(gè)四軸開源項(xiàng)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(jìn)一步增加了組件，甚至使它半自主飛行。美國(guó)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(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的飛行器的存在。一時(shí)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(guó)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(shí)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(duì)飛控的深入了解,，一般只是復(fù)現(xiàn)國(guó)外的技術(shù),，談不上進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。當(dāng)時(shí)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(jī)飛控的公司,。德國(guó)Microdrones雖然較早地推出產(chǎn)品,，但是工業(yè)級(jí)的四旋翼的價(jià)格對(duì)于普通消費(fèi)者來說簡(jiǎn)直是遙不可及。除此之外,，消費(fèi)級(jí)的Draganflyer四旋翼之所以沒有推廣是因?yàn)槠洳倏匦约皧蕵沸圆粡?qiáng)（智能手機(jī)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(shí)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(guó)Parrot公司于2010年推出消費(fèi)級(jí)的AR.Drone四旋翼玩具,，從而開啟了多旋翼消費(fèi)的新時(shí)代。AR.Drone四旋翼在玩具市場(chǎng)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(cè)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(jī),、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(qiáng),。

　　第四,，整個(gè)飛行器為一體機(jī)，并帶有防護(hù)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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　?。ㄋ男硪惑w機(jī)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(jī)(圖b)正是借鑒了其設(shè)計(jì)理念,。伴隨著蘋果在iPhone上大量應(yīng)用加速計(jì),、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(gè)傳感器,，成本和功耗進(jìn)一步降低，成本僅為幾美元,。另外GPS芯片僅重0.3克,，價(jià)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(shí)，電池能量密度不斷增加,，使無人機(jī)在保持較輕的重量下,，續(xù)航時(shí)間達(dá)到15-30分鐘，基本滿足日常的應(yīng)用需求,。近年來移動(dòng)終端同樣促進(jìn)了鋰電池,、高像素?cái)z像頭性能的急劇提升和成本下降,。這些都促進(jìn)了多旋翼更進(jìn)一步發(fā)展。

　　與此同時(shí),，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(huì)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(duì)協(xié)作能力,。這一場(chǎng)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(guó)工程師協(xié)會(huì)的機(jī)器人和自動(dòng)化雜志（Robotics & Automation Magazine,IEEE）出版空中機(jī)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(shí)最先進(jìn)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(shí)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(jī),。Phantom與AR.Drone一樣控制簡(jiǎn)便,，初學(xué)者很快便可上手。同時(shí),，價(jià)格也能被普通消費(fèi)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(jī)。當(dāng)時(shí)利用Gopro運(yùn)動(dòng)相機(jī)拍攝極限運(yùn)動(dòng)已經(jīng)成為歐美年輕人競(jìng)相追逐的時(shí)尚潮流,，因此Phantom一體機(jī)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。

　　無人機(jī)為什么偏愛多旋翼,？這里有最全的解釋

　?。ǘ嘈碇饕_源項(xiàng)目一覽表）

　　此時(shí)，學(xué)術(shù)界對(duì)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(jī)器人實(shí)驗(yàn)室展示了四旋翼的驚人運(yùn)動(dòng)機(jī)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(xiàn)在近年成井噴趨勢(shì)。這些研究往往具備前瞻性,，將推動(dòng)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(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院博士/副教授,。