圖:旋翼軸。
上文談到了三種飛行器外形和續(xù)航時間的不同點(diǎn),這里要再說一些更理論的不同之處。
首先,固定翼是自穩(wěn)定系統(tǒng),簡單說就是固定翼飛上天、助推發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作之后,不需要怎么控制,固定翼就能自己抵抗氣流的干擾保持穩(wěn)定。此外對于飛 行器姿態(tài)控制來說,固定翼是完整驅(qū)動系統(tǒng),意思是它在任何姿態(tài)下可以調(diào)整到任何姿態(tài),并且保持住這個姿態(tài)(當(dāng)然失速的時候不可以,但是失速是特殊情況,我 們也可以忽略……)。
其次,直升機(jī)是不穩(wěn)定系統(tǒng),飛上天之后如果不施加控制,一陣風(fēng)吹來就翻了。不過還好的是,直升機(jī)也是完整驅(qū)動系統(tǒng),可以自由調(diào)整姿態(tài)。這是因為直升 機(jī)的槳面不但可以產(chǎn)生相對機(jī)身向上的推力,也可以產(chǎn)生相對機(jī)身向下的推力。而且直升機(jī)沒有失速的問題,什么時候都能調(diào)整姿態(tài),可以在天上如散步一般自由運(yùn) 動。所以直升機(jī)雖然不穩(wěn)定、很難控制好,但是姿態(tài)翻了的時候完全可以控制回到正常的姿態(tài)。
最后,看官們可能猜到了,多旋翼是不穩(wěn)定系統(tǒng),也不是完整驅(qū)動系統(tǒng)(或者叫欠驅(qū)動系統(tǒng))。它的槳只能產(chǎn)生相對機(jī)身向上的升力。所以它不穩(wěn)定、很難控制好,飛行器翻過來之后基本沒辦法控制回來,就墜機(jī)了。
因為上述飛行器作為系統(tǒng)有穩(wěn)定不穩(wěn)定、驅(qū)動完整不完整的區(qū)別,所以固定翼和直升機(jī)讓人控制難度相對不高;多旋翼讓人來控制難度相對高,最好有自動控 制器來控制飛行器的姿態(tài)。對于自動控制器,固定翼的自動控制器比較好做,直升機(jī)和多旋翼的自動控制器比較難做。讓事情更加難辦的是,飛行器自動控制器通常 需要慣性導(dǎo)航系統(tǒng)獲取自身的姿態(tài),而在20世紀(jì)90年代之前,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)一般是十幾公斤的大鐵疙瘩。為了把這么重的東西放到一個多旋翼飛行器上,飛行器 的載荷必須很大,可是人們發(fā)現(xiàn),不管是用油機(jī)還是電機(jī)做多旋翼飛行器的動力系統(tǒng),都很難得到足夠的載荷。同時,因為固定翼和直升機(jī)已經(jīng)很夠?qū)嶋H使用了,所 以沒有人愿意多花功夫去研究多旋翼飛行器這個棘手的問題。很長一段時間里,只有美國一些研發(fā)性的項目做出了多旋翼飛行器的樣機(jī)。
20世紀(jì)90年代之后,隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)研究的成熟,幾克重的MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)被制作了出來,使得多旋翼飛行器的自動控制器可以做 了。但是MEMS傳感器數(shù)據(jù)噪音很大,不能直接讀出來用,于是人們又花了一些年的時間研究MEMS去噪聲的各種數(shù)學(xué)算法。這些算法以及自動控制器本身通常 需要速度比較快的單片機(jī)來運(yùn)行,于是人們又等了一些年時間,等速度比較快的單片機(jī)誕生。接著人們再花了若干年的時間理解多旋翼飛行器的非線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu),給 它建模、設(shè)計控制算法、實現(xiàn)控制算法。
因此,直到2005年左右,真正穩(wěn)定的多旋翼無人機(jī)自動控制器才被制作出來。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)突然出現(xiàn)在人們視野 中,大家驚奇地發(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)簡單的飛行器存在。一時間研究者趨之若鶩,紛紛開始多旋翼飛行器的研發(fā)和使用。
四旋翼飛行器是多旋翼飛行器中最簡單最流行的一種。如上所述,最初的一段時間主要是學(xué)術(shù)研究人員研究四旋翼。四旋翼飛行器最早出現(xiàn)在公眾視野可能要 追溯到2009年的著名印度電影《三傻》……2010年,法國Parrot公司發(fā)布了世界上首款流行的四旋翼飛行器AR.Drone。作為一個高科技玩 具,它的性能非常優(yōu)秀:輕便、靈活、安全、控制簡單,還能通過傳感器懸停,用WIFI傳送相機(jī)圖像到手機(jī)上。
AR.Drone的流行讓四旋翼飛行器開始廣泛進(jìn)入人類社會。在玩具這個尺寸上,多旋翼飛行器的優(yōu)勢就顯示出來了,同尺寸的固定翼基本飛不起來,而同尺寸的直升機(jī)因為機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,根本沒法低成本地制作出穩(wěn)定的產(chǎn)品。
2012年2月,賓夕法尼亞大學(xué)的VijayKumar教授在TED上做出了四旋翼飛行器發(fā)展歷史上里程碑式的演講。這一場充滿數(shù)學(xué)公式的演講居然大受歡迎,迄今已經(jīng)有三百多萬次觀看,是TED成百上千個演講中瀏覽量最高的演講之一。