多旋翼飞行器：从原理到实践-习题及答案

第9章展望

1.参考9.1节列举的多旋翼新设计人类，能否列举和分析己有人类中多旋翼的新发展？

此外，能否列举和分析这些大类之外的新设计？

多旋翼无人机经历十年的高速发展，已经从单一场景应用向广域场景蔓延，从单机飞行到多

机协同再到集群控制。伴随着技术的突飞猛进，无人机在结构上不断迭代创新，在载荷上持

续推陈出新，以适应行业发展的需求。本文首先介绍了多旋翼无人机最新发展的设计结构，

然后罗列了多旋翼无人机在各行业的应用场景，最后描述了多旋翼无人机的发展趋势。

自多旋翼飞行器的诞生至今已有百年之久，但科研人员在多旋翼飞行器上的探索却没有停止。

近年以来，在技术、材料和制造等方面的极速发展态势下，多旋翼无人机在民用领域和军用

领域应用逐渐广泛，备受青睐。为适应行业发展的新需求，多旋翼无人机的结构设计也发生

的诸多变化，不再是简单地增加旋翼数量和扩大轴距，比如加装笼式装置既保护了无人机的

旋翼又避免旋翼割伤损坏周围的人员和物品；通过改装使机体结构模块化，方便更换任务载

荷以适应多场景；设计专用消防无人机来弥补传统消防器材的不足……总之，科技发展的促

进和行业应用的倒逼将会促使无人机技术迈向更高的台阶。

多旋翼无人机的新设计

多旋翼无人机的形态设计已经多种多样，但新的结构形式仍在不断涌现。多旋翼无人机的新

设计主要体现在无人机本身结构的设计，比如可折叠多旋翼无人机、全向多旋翼无人机等，

也体现在无人机外部加装结构的设计，比如带机械臂多旋翼，还有多旋翼与固定翼的复合形

态设计，比如垂直起降固定翼无人机、尾座式多旋翼无人机、升力翼多旋翼无人机，同样还

有异构设计，比如双旋翼无人机、多栖多旋翼无人机。

1.1笼式多旋翼无人机

为解决多旋翼无人机带来的安全性问题，设计者研发了笼式多旋翼，将多旋翼放置于一个笼

式结构中，即使无人机在飞行过程中发生失误，由于有保护笼装置，可以有效降低人身伤害

或螺旋桨损坏的风险。这种设计适用于检测发电厂的锅炉、大型压力容器、货仓液罐等密封、

危险、无照明的空间。图1为瑞士Elios可碰撞无人机。

1.2可折叠多旋翼无人机

瑞士的苏黎世大学和研究组EPFL合作开发的自适应折叠无人机[2],遇到不同形状的空间或

者洞口，可以改变旋翼臂与机身的角度来改变无人机的形状，以进入目的地。该型采用四个

微处理器单独控制四个螺旋桨，可以实时适应臂的任何新位置，随着直心的移动调整螺旋桨

的推力，始终保证稳定的飞行，如图2所示。

1.3全向多旋翼无人机

苏黎世联邦理工学院研发的全向多旋翼无人机原型采用了12个旋翼[3],而且每个都安装在

可以360度旋转的机械臂上，保证这款无人机能够在空中随时调整飞行方向，实现全向飞行,

如图3所示。全向无人机在实际场景较为广泛，由于它可以穿梭于一些比较窄小的缝隙中，

在实际中常用于基础设施检查工作。

1.4带机械臂多旋翼无人机

带机械臂多旋翼无人机是在无人机上加装可执行一定的动作、完成相应工作的无人机，这种

无人机主要利用了多旋翼无人机动作灵活、飞行稳定和体型较小等优点，主要应用于高空高

危等场所，以代替人工执行任务，也可以应用于人员不便工作的场所，减少人力投资，提

高工作效率。美国SkyMul公司的SkyTy无人机配有可移动的机械爪，可自动捆扎交叉的钢

筋。技术人员还可使用半自动的界面来验证所放置钢筋的网格间距和安放精度。

1.5固定翼-多旋翼复合式无人机

复合式多旋翼无人机又称垂直起降固定翼无人机，这种无人机是在固定翼两侧机翼的前后方

各安装一个螺旋桨（通常为4个），为无人机提供垂直起降所需升力，在机尾或机头部位安

装推力或拉力螺旋桨，提供平飞巡航阶段的动力。在起飞阶段，两侧机翼的螺旋桨提供升力,

使无人机垂直起飞；在平飞巡航阶段，推力或拉力螺旋桨启动，为无人机提供前飞动力，机

翼两侧的螺旋桨将停转并固定在最小阻力位置，降低平飞阶段的阻力。复合式多旋翼无人机

兼顾了多旋翼无人机的垂直起降性能与固定翼飞行器的平飞高效特性，降低了无人机对起降

场地的要求，解决了多旋翼无人机续航时间不足的问题。

1.6尾座式多旋翼无人机

尾座式多旋翼无人机是多旋翼与固定翼无人机的组合。尾座式多旋翼无人机起飞时机头朝上,

机身四周的多旋翼为无人机提供升力，待无人机起飞到预定高度，无人机改为机头向前平飞，

此时多旋翼为无人机提供前飞动力。尾座式多旋翼无人机在起飞和巡航飞行时均使用同一套

动力系统，没有多余的〃死重”，为无人机预留较多的有效载荷，同时在起飞时旋翼气流也不

会与机翼相互干扰；其缺点也比较明显，在起飞和降落时，底部气流紊乱，副翼作用不明显，

受侧向风影响较大，容易倾倒。

2.参考9.2节列举的多旋翼新发展，能否列举和分析最近几年多旋翼的新发展？

快速发展的原因：

(1)MEMS器件的成熟以及批量生产带来的低成本优势。

(2)消费级多旋翼无人机提供了航拍的廉价解决方案，使其大众化，打破了传统航拍影视

行业的格局。

(3)APM及PIXHAWK等开源飞控的日益成熟。

3.参考9.3节列举技术和设备，能否列举和分析最近几年相关技术和设备的新发展？

略。

4.给定一片区域，例如机场、港口、学校、医院和重要军事基地等，请设计一套反无人

机的方案，包括部署位置、设备和反制方式等，需要保证经济可行。提示:需要分析设

备对本区域其他无人机设备的干扰问题，以及需要针对不同数量和大小的目标无人机设

计不同的应对方案。

略。

5.参考9.4节中新发展的五个特性，请进一步丰富9.4节提出五个性质的新内涵，或给

出近几年发展的新特性，并进行分析。

补充新内涵：

1.安全性

安全性正从硬件可靠性发展到软硬件适航性。目前要发展的载人飞行和城市中的货运无人机

是当前强劲需求。多旋翼属于小型的复杂系统，应该从系统工程的角度设计保障飞行的安全。

《系统工程2020年愿景》中，给出了“基于模型的系统工程【Model-BasedSystems

Engineering,MBSE)”的定义：基于模型的系统工程是对系统工程活动口建模方法应用的正式

认同，以使建模方法支持系统要求、设计、分析、验证和确认等活动，这些活动从概念性设

计阶段开始，持续贯穿到设计开发以及后来的所有的寿命周期阶段。拟在利用先进的系统建

模语言代替自然语言，从而消除不确定性、歧义性和不可计算性等。随着未来多旋翼无人机

数量的增加，安全系数标准或适航标准必然成为一个准入门槛。

2.自主性

自主性集中体现在从程序控制发展到以视觉感知为主的自主智能控制。近年来，多旋翼无人

机的视觉系统伴随着深度学习理论及机载计算芯片得到了极大的发展，主要从事识别、跟踪、

环境地图感知、位置获取等等，极大地提高了无人机的自主能力。通过智能自主感知，使得

多旋翼无人机可以在无卫星导航环境下跟踪物体以及躲避障碍物，提升安全性。如何界定多

旋翼的自主性，目前没有统一的描述。

3.集群性

集群性集中在多人控制单机发展到单人控制多机。集群性是一种化整为零的问题解决思路,

它极大提高了任务解决的可靠性和设备的维护性。集群无人系统可扩展性较强，根据任务的

难易程度可以通过增减无人机数量来适配集群。此外集群性是另外八维度降低操作人员负

担，与此同时可以更高效完成给定的任务。少量操作人员可以控制无人机的数量是目前的几

倍甚至数十倍。对于分布式自主集群来说，如何使得一群无人机像蚂蚁和蜜蜂一样协同工作,

依然是目前科研人员研究的方向，这也必然成为未来的趋势。

4.有序性

有序性体现在个体无序飞行到有序飞行的交通管控。大量无序飞行的低空无人机会对地面设

施、公共安全、空中载人飞行器等带来危害。交通管控是通过对整个低空的无人机运行安全

和风险进行评估，同时对低空的无人机进行有效的规划，保证它们合理有序的飞行，从而促

进无人机行业的健康发展。然而，民航空中交通管理不能适应未来数以百万架的无人机。为

了适应新的特点，世界各国针对低空无人机空中交通管理开发了新框架。包括美国的无人机

系统交通管理框架UTM(UnmannedAircra代SystemTrafficManagement),欧盟委员会和欧洲

航空安全局(EASA)提出建立公共无人机飞行系统U-Space以及中国的无人机运行管理(UAS

OperationManagement,UOM)系统。无人机交通管理技术的研发与落地，不仅能够满足不断

增长的无人机行业应用需求，亦可作为有人机自动化演进的重要技术途径，实现中国航空业

的快速发展，成为世界各国进入航空强国的重要途径。

5.多样性

多样性体现在从单一形态的多旋翼无人机发展到多功能多形态的多旋翼无人机，适应不同的

应用需求。通过不断地改变多旋翼形态，可以克服目前多旋翼无人机的诸多不便。另外，不

断深挖应用需求，通过配置不同载荷，满足不同需求。随着移动终端的兴起，芯片、电池、

惯性传感器、通信芯片等产业链迅速成熟，成本下降，使载荷迅速向更加小型化、低功耗的

设备迈进。这也给无人机多样性创造了更多的条件。多样化的另外的一个条件是载荷和接口

的标准化，这一块一直得到了各国的重