浅析小型旋翼无人机应用及其发展

浅析小型旋翼无人机应用及其发展

贾士贤

黑龙江省牡丹江市第一高级中学黑龙江省牡丹江市157000

摘要：随着现代科技水平的不断提高，无人机逐渐进入公众的视野，而航拍无人机更是在近几年的大型节目中屡试身手，拍摄的效果也更是被观众所认可。无人机广义上是指不载有操作人员可以自主飞行或遥控驾驶的飞行器，其最大特点是实现垂直起降，操作灵活，性能优越。在航拍无人机后又衍生出植保无人机，消防无人机，快递无人机等各具特殊功能的无人机。本文主要围绕小型旋翼无人机总结了旋翼无人机技术，旋翼无人机发展应用，以及对未来的展望。

关键词：旋翼无人机；航拍；物流运输

1.引言

在众多种类无人机当中，小型旋翼无人机占有相当高的地位。小型旋翼无人机以其具有垂直起降的特点刷新人们对以往飞机需要专业机场的认识，因此降低了研究门槛并被开发出多种版本，小型旋翼无人机更以其出色的安全性而被人们所接纳。目前，小型旋翼无人机已经深入到人类生产生活的各个角落，在航空拍摄、物流运输、测绘探险、刑事侦探方面发挥着不可替代的作用。

2.无人机

2.1无人机分类

无人机泛指不载有操作人员可以自主飞行或遥控驾驶的飞行器，无人机可分三大类，分别是多旋翼、固定翼、直升机，多旋翼类主要通过多个旋翼提供升力，通过对电机转速的调整来控制飞行轨迹；固定翼类主要通过机翼上下表面空气流速不同形成的压强差提供升力，通过对舵面的调整来控制飞机姿态；直升机通过主旋翼提供升力，尾旋翼平衡主旋翼的扭矩使得直升机姿态稳定，通过对螺距的调整来控制飞行姿态。多旋翼无人机具有操纵相对固定翼较简单，可垂直起降，定点悬停，和超低空飞行等优点，但在续航时间和任务载重上有不足[1]。固定翼无人机具有续航时间较长，航程大和任务载重较大等优点，但在目标执行精确度，起降环境要求高和操纵较难的缺点。直升机具有和多旋翼基本相似的优缺点，但其在稳定性上仍有不足。

2.2旋翼无人机结构

旋翼无人机主要由机身，电动机，螺旋桨，电子调速器，动力电池，相机，云台，飞行控制模块（IMU）,GPS模块，IOSD数据叠加模块，图像传输模块，接收模块组成。机身多由碳纤维材料构成，具有高强度，耐冲击的特点，可以安装多种任务载荷和其他相关部件；电动机主要为螺旋桨转动提供动力，目前主要以无刷电机为主；螺旋桨在电机的驱动下高速转动，向下推动空气从而获得向上的相互作用力，为机身提供动力；电子调速器通过对电机电流大小的调整来控制电机转速大小，从而控制单个旋翼轴升力的大小；动力电池作为能量来源，多采用放电倍率较高的锂离子或锂聚合物电池；相机主要通过对图像的摄取起到提供图像和数据的作用，并将数据传到图传系统；云台可以在机身出现抖动或其他环境影响的情况下保证图像的质量，起到增稳功能，同时还可以通过带动相机运动增大图像摄取面积；飞行控制模块主要通过对接收机提供的信号，对不同旋翼轴电子调速器进行控制，使得无人机调整飞行姿态和运动轨迹，同时也可以稳定无人机在无指令信号情况下的姿态和高度；GPS模块通过对多个卫星进行定位，可以起到控制无人机水平位置的效果，同时对无人机进行禁飞区划分（如机场，军事基地等），IOSD模块则对三轴角度，速度，加速度传感器的数据采集，与飞行控制系统进行数据交换，同时将数据叠加到图传系统；图像传输模块接收来自相机和IOSD模块的数据将叠加好的图像数据以5.8G的频率发送到地面图像接收装置；接收模块直接接收来自遥控器的输出信号，通过多个通道将来自遥控器的数据传输到飞行控制系统当中，常见无人机的构造如图1所示[2]。

图1为常见商用无人机

3.行业应用

3.1航拍

最初代的无人机搭载的任务设备主要以摄像设备为主，执行一般航空摄影及空中侦察任务，现代随着人们对航空摄影的精确度要求的提高以及摄像科技的发展，无人机搭载的相机造成畸变的问题得到解决，无人机也可以搭载运动相机来追踪速度较快的目标等，高空航拍更是可以进行地理测绘，地理绘图最初采用载人直升机绘图方式，但由于载人飞机无法做到低空飞行，对于地理信息的精确度不够高，无法满足相关需求，而且成本是多旋翼无人机的几倍。采用相关无人机平台，以大疆经纬M200为例，M200完全可以同时搭载红外摄像机和夜视仪摄像机，满足对目标进行昼夜侦查的需求，可以更精准的测绘地理图像，而且地理测绘无人机还可以对特定突发事件进行快速侦查，天津爆炸事件后前后有7架无人机对该地区进行侦查测绘，给指挥部带来了最新的资料。同时在一些人类难以到达的危险区域，同样可以用旋翼无人机进行侦查，大大扩展了人类的视野范围[3]。

3.2商务物流

无人机目前在商业物流方面应用较少，一些物流公司已经尝试用无人机运输货物，确实较人工更加迅速，但更加考验的是无人机的识别系统，信息处理分析系统，避障系统，自动导航系统，以及无人机地面站，物流公司可以通过在物流集散地建设旋翼无人机地面基地，通过目前较成熟的人工分配系统对包裹进行分类，选择合适的任务载荷无人机执行，旋翼无人机的续航时间有一定的限制，应当使用垂直起降固定翼旋翼无人机（如图2）。在航程方面会有大大的提高，在起飞和降落时和多旋翼操作完全相同，到一定高度后启动尾部发动机使得无人机以相对较快的速度接近目标，接近目标后关闭尾部发动机，启动多旋翼发动机，进行降落。同样也要对小区快递接收装置进行改造，能够使无人机通过机械臂将快递投放到接收装置里，但由于小区是人流较密集区域，而旋翼无人机高速转动的桨叶有对人有较大的危险，如何对包裹接收装置进行改造，是物流公司不得不面对的问题。

图2垂直起降旋翼无人机

3.3农业应用

空中施肥是无人机在农业方面的主要应用，对于一定范围内的区域，使用旋翼无人机可以通过自身携带农药喷洒装置对区域内的农作物进行覆盖式喷洒，节省人力，同时又可以降低农民在喷洒农药时中毒的风险，对于范围相当大的区域，同样可以采用垂直起降固定翼旋翼无人机。由于旋翼无人机航程短，采用这种新型无人机可以提高工作效率，但精准度较低，且农村一般距城市较远，没有专业的无人机飞行员无法作业，因此应用较少，主要以多旋翼无人机喷洒农药为主。

3.4军警特殊装备

军警无人机主要搭载特殊武器装备来完成任务，需要无人机有更高的性能，如操纵简便，抗干扰能力强，可超视距飞行，更高的任务载荷，噪音小等。旋翼无人机可以搭载热成像或夜视仪摄像机提供复杂环境下的环境信息，或携带武器对目标进行精确打击，目前这一小规模战略性武器已经在各种军事演习中有应用，其可以大大降低人员伤亡概率，并且无人机相对载人飞机比具有更高的隐蔽性，同样也可以对目标区域进行扫描侦查等工作，便于后方及时掌握敌方部署情况。

3.5医疗急救

目前我国急救系统较不完备，针对我国距离急救设施偏远的地方，如果采用无人机搭载影像及声音识别系统，医师可以通过无人机与在场的其他人沟通伤者的情况，并将无人机携带的便携医疗急救设施精准投放在现场，由医师指导完成暂时救护并等待专业救援，目前已经有国家在此方面取得较大进步并取得一定成效。

除了以上主要的应用领域外，无人机以其优越的性能和灵活的应用模式在建筑业，媒体，以及无线网络接入等方面也有着广泛的应用[4]。

4．旋翼无人机的发展趋势

由于目前电池发展较慢，短时间内很难有技术性突破，旋翼无人机续航普遍在20分钟以下，使得旋翼无人机的航程和任务半径较小，无法覆盖较大区域。旋翼无人机目前禁飞区设定仍然不够全，缺少直接负责部门管理，导致有多次旋翼无人机影响机场航班的恶性案例；单个无人机的效率远远比不上一个人工的效率，因此无人机集群协调技术（如图3）仍需不断实验验证，英特尔公司已经成功研制了无人机集群技术，可进行无人机表演等用途，为了集群技术进一步发展，也必将应用在其他领域。传统无人机只与飞手保持信息传输，而无法做到信息传递，现如今无人机集群技术使得无人机的工作效率大幅提升，如果能够建立无人信息网，使得无人机之间信息可以相互传递，同时也方便地面进行数据汇总。未来旋翼无人机必将在无人机上动力系统和续航上取得突破性成果，使得飞机任务半径大大增加。同时采用固定翼旋翼无人机相结合的方式，更加发挥无人机的高效性。最后在加之较完备的集群监管和自动控制技术，无人机的功能必将持续升级，更好地服务于社会的各行各业。

图3无人机集群技术

参考文献

[1]蒋汪洋，刘洪源，刘颂，等.多旋翼无人机航测系统在地形图测绘中的应用[J].测绘与空间地理信息，2018,5（41）:198-201.

[2]朱锋，肖晖，魏亚男.无人机遥感影像镶嵌技术综述[J].计算机工程与应用，2014，50（15）：38-41.

[3]周超，向绪友，钟旭，等.无人机在农业中的应用及展望[J].湖南农业科学，2017，（11）：80-82.

[4]黄铸.小型旋翼无人机技术综述[J].工业设计改造及检测检修，2018，（10）：88-91.