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多旋翼無人機(jī)成最熱產(chǎn)品,各種方案比較和發(fā)展趨勢(shì)

發(fā)布時(shí)間:2017-01-12 來源:金紅 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】近年來無人機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展,多旋翼無人機(jī)以優(yōu)良的操控性能和可垂直起降的方便性等優(yōu)點(diǎn)迅速獲得了廣大消費(fèi)群體的關(guān)注,成為迄今為止最熱銷的產(chǎn)品。多旋翼無機(jī)人相較于其它無人機(jī)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì),與固定翼飛機(jī)相比,它具有可以垂直起降,可以定點(diǎn)盤旋的優(yōu)點(diǎn);與單旋翼直升機(jī)相比,它沒有尾槳裝置,因此具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)。
 
多旋翼無人機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)使它在無人機(jī)b端市場(chǎng)前景被看好,但也面臨著許多的問題,在電力巡航、物流運(yùn)輸、消防、植保等領(lǐng)域電動(dòng)無人機(jī)的載重及續(xù)航時(shí)間成為制約其發(fā)展的重要因素。此時(shí),燃油動(dòng)力多旋翼無人機(jī)憑借其大載重與長(zhǎng)航時(shí)的優(yōu)點(diǎn)為b端市場(chǎng)帶來曙光。
 
油動(dòng)多旋翼常見分類
 
常見的油動(dòng)多旋翼無人機(jī)有四旋翼、六旋翼、八旋翼,多旋翼其最大特點(diǎn)就是具有多對(duì)旋翼,并且每對(duì)旋翼的轉(zhuǎn)向相反,用來抵消彼此反扭力矩。
 
多旋翼無人機(jī)在飛行過程中需要不斷地調(diào)整各個(gè)旋翼產(chǎn)生的升力來保持飛行姿態(tài)的平穩(wěn)。常用改變升力的方式有兩種。一種是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定,通過調(diào)整螺旋槳的螺距改變升力,稱為變槳距方式;另一種是螺旋槳的螺距恒定,通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變升力,稱為調(diào)速方式。兩種方式各有什么特點(diǎn)呢?
 
變槳距,也稱為變距、調(diào)距:優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快。缺點(diǎn)是需要復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)來調(diào)整槳距,造價(jià)成本高,維護(hù)費(fèi)用也高。
 
調(diào)速,也稱為變轉(zhuǎn)速、變速。優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,調(diào)速多發(fā)直驅(qū)方式無傳動(dòng)結(jié)構(gòu),發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳。造價(jià)成本較低,維護(hù)費(fèi)用低。缺點(diǎn)是響應(yīng)速度較慢。
 
常見油動(dòng)多旋翼能源提供方式有純油動(dòng)和油電混合兩種類型。純油動(dòng)按控制方式又可分為上面所說的油動(dòng)變槳距和油動(dòng)調(diào)速;油動(dòng)變槳距又可細(xì)分為單發(fā)傳動(dòng)和多發(fā)傳動(dòng);常見的油動(dòng)調(diào)速只有多發(fā)直驅(qū)類型。油電混合常見的只有調(diào)速控制方式一種,又可分為油發(fā)電和油加電兩種。
 
多旋翼無人機(jī)成最熱產(chǎn)品,各種方案比較和發(fā)展趨勢(shì)
 
油動(dòng)單發(fā)傳動(dòng)變槳距多旋翼
 
采用一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力,通過復(fù)雜的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)將動(dòng)力傳到各旋翼并改變旋轉(zhuǎn)方向。各旋翼轉(zhuǎn)速相同,以調(diào)整螺旋槳螺距的方式改變升力保持姿態(tài)平穩(wěn)。
 
優(yōu)點(diǎn):發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量少,發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)工作量小。響應(yīng)速度快。
 
缺點(diǎn):發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳輸?shù)礁餍淼膫鲃?dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,各旋翼又需要獨(dú)立的變槳距機(jī)械結(jié)構(gòu),導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,機(jī)身整體重,制造成本高,機(jī)械維護(hù)難度大,總體維護(hù)費(fèi)用高。
 
油動(dòng)多發(fā)傳動(dòng)變槳距多旋翼
 
采用多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力,每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一個(gè)旋翼,各發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同,以調(diào)整螺旋槳螺距的方式改變升力保持姿態(tài)平穩(wěn)。發(fā)動(dòng)機(jī)和旋翼之間需要傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。可以使用正反轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī),也可以只使用正轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī),通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)換向。
 
優(yōu)點(diǎn):傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,響應(yīng)速度快。
 
缺點(diǎn):發(fā)動(dòng)機(jī)個(gè)數(shù)多,發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)工作量大。各旋翼又需要獨(dú)立的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和變槳距機(jī)械結(jié)構(gòu),機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,機(jī)身整體重,制造成本高,總體維護(hù)費(fèi)用高。
 
油動(dòng)多發(fā)直驅(qū)多旋翼(燃油直驅(qū)多旋翼)
 
常見油動(dòng)調(diào)速多旋翼都是采用多發(fā)調(diào)速直驅(qū)方式,通常稱為油動(dòng)直驅(qū)多旋翼。
 
油動(dòng)直驅(qū)多旋翼采用多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力,每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一個(gè)旋翼,旋翼螺距固定,通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門控制轉(zhuǎn)速改變升力,旋翼直接安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上,無需傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。
 
優(yōu)點(diǎn):無需傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,零部件個(gè)數(shù)少、制造成本低,維護(hù)費(fèi)用較低。
 
缺點(diǎn):發(fā)動(dòng)機(jī)個(gè)數(shù)多,發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)工作量大。機(jī)身整體較重,效率與響應(yīng)速度一般。
 
油電混合多旋翼
 
油電混合多旋翼,按照動(dòng)力方式劃分 ,可分為油發(fā)電與油加電共同發(fā)電兩種。
 
油發(fā)電多旋翼
 
油發(fā)電多旋翼是以單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,再以此電能驅(qū)動(dòng)各旋翼上的電機(jī)產(chǎn)生升力,無需配備動(dòng)力電池。各旋翼直接固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上,無傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。
 
優(yōu)點(diǎn):只消耗燃油,補(bǔ)充能源便捷。電機(jī)響應(yīng)速度較快。
 
缺點(diǎn):需要發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī),機(jī)身整體較重,載重量較小。
 
油加電多旋翼
 
油加電多旋翼一般以單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主旋翼提供升力,多個(gè)電動(dòng)旋翼調(diào)整姿態(tài),需配備動(dòng)力電池。旋翼直接固定在電機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上,無傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。
 
優(yōu)點(diǎn):無需發(fā)電機(jī),無傳動(dòng)結(jié)構(gòu),機(jī)身整體較輕。電機(jī)響應(yīng)速度較快。
 
缺點(diǎn):需要添加燃油和攜帶動(dòng)力電池,補(bǔ)充能源不便捷。
 
多旋翼無人機(jī)成最熱產(chǎn)品,各種方案比較和發(fā)展趨勢(shì)
 
以上各種方案基本都有成功首飛的案例。由于多發(fā)直驅(qū)方案具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維護(hù)方便,載重量大等顯著優(yōu)點(diǎn),目前已有較好的商業(yè)應(yīng)用。
 
其中,深圳常鋒信息技術(shù)有限公司全自主研發(fā)生產(chǎn)的天馬-1植保無人機(jī)搭載智能噴灑系統(tǒng),采用RTK定位技術(shù)、雙天線測(cè)向技術(shù)、厘米級(jí)雷達(dá)測(cè)高技術(shù),具有載荷量大、噴灑精準(zhǔn)、定位精度高、抗地磁干擾、仿地形飛行和全自主作業(yè)等特點(diǎn),可大幅提高作業(yè)效率,降低作業(yè)成本。已在新疆等地推廣使用。
 
多旋翼未來發(fā)展趨勢(shì)
 
油動(dòng)多旋翼的發(fā)展趨勢(shì)主要在于兩方面,一個(gè)是發(fā)動(dòng)機(jī),一個(gè)是旋翼。
 
電噴:電噴發(fā)動(dòng)機(jī)是采用電子控制裝置,取代傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)(如化油器)來控制發(fā)動(dòng)機(jī)的供油過程。使用電噴發(fā)動(dòng)機(jī)具有省油、提升可靠性、提升響應(yīng)速度及環(huán)境適應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)。
 
啟發(fā)一體化:目前市場(chǎng)上的發(fā)動(dòng)機(jī)使用的電機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)和帶有調(diào)節(jié)器的交流發(fā)電機(jī),分屬啟動(dòng)系統(tǒng)和充電系統(tǒng),分別固定在發(fā)動(dòng)機(jī)體上,安裝布置不方便,所需安裝空間大,零部件多故障率高。缺乏有效的監(jiān)控控制器,發(fā)電效率不高,不能隨機(jī)械需求快速實(shí)現(xiàn)調(diào)速調(diào)節(jié)功率。啟發(fā)一體化就是啟動(dòng)系統(tǒng)和充電系統(tǒng)一體化,啟動(dòng)電機(jī)可作為發(fā)電機(jī)使用,具備發(fā)電功能。發(fā)電機(jī)啟動(dòng)一體化,可以降低成本,減輕機(jī)體重量,提升使用便捷性。
 
再說旋翼機(jī)的發(fā)展。多旋翼無人機(jī)想在效率方面突破,就不得不考慮將固定翼的原理與優(yōu)缺點(diǎn),與多旋翼相結(jié)合,從而得出更好的解決方案。
 
復(fù)合翼:采用固定翼結(jié)合多旋翼的復(fù)合翼布局形式,結(jié)合多旋翼可垂直起降,無需借助跑道滑行起飛的優(yōu)點(diǎn),兼具固定翼無人機(jī)航時(shí)長(zhǎng)、速度高、距離遠(yuǎn)的特點(diǎn),有效提升效率。

提問:
 
油動(dòng)多旋翼能有效解決電動(dòng)多旋翼的續(xù)航問題嗎,目前推廣的最大攔路虎是什么?
 
油動(dòng)多旋翼解決的是載重和續(xù)航兩個(gè)問題,或者說是載重和續(xù)航的乘積(載重續(xù)航積),有些方案可以解決續(xù)航問題,但是受限于功率密度,載重量無法顯著提高,比如氫燃料電池。目前,油動(dòng)直驅(qū)多旋翼商業(yè)化推廣較好,實(shí)際使用中發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境適應(yīng)能力是相對(duì)比較突出的問題。
 
飛控對(duì)油機(jī)的控制如何實(shí)現(xiàn)較好的響應(yīng),具體在多旋翼上是怎么實(shí)現(xiàn)的?
 
不同的油動(dòng)多旋翼方案,飛控對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制策略是不同的。響應(yīng)速度對(duì)抗風(fēng)能力有影響,但是抗風(fēng)性能涉及多個(gè)因素,可以通過其他方面彌補(bǔ)響應(yīng)速度的問題。
 
如何抑制油動(dòng)多旋翼的震動(dòng)噪聲?
 
機(jī)械減震和數(shù)字濾波,注意相頻特性。
 
油動(dòng)多旋翼植保無人機(jī)在未來幾年會(huì)不會(huì)大有作為?
 
油動(dòng)多旋翼植保無人機(jī)操作簡(jiǎn)便,載重和續(xù)航有優(yōu)勢(shì),適合大面積自動(dòng)化作業(yè),可以顯著降低成本。我相信未來一定會(huì)有很好的表現(xiàn),大家拭目以待。
 
油動(dòng)會(huì)不會(huì)引發(fā)環(huán)境問題,你們?cè)谶@方面都做了哪些努力?
 
一定程度上是存在滑油殘留,但是問題并不嚴(yán)重,其實(shí)地面植保機(jī)械目前也是燃油動(dòng)力。對(duì)于其他應(yīng)用場(chǎng)景的環(huán)境問題,從橫向比較,相比于廢棄鋰電池的環(huán)境污染,燃油的污染也并不是很嚴(yán)重。對(duì)此,我們首先從供應(yīng)鏈選擇上會(huì)注意排放問題,另外,我們也在努力創(chuàng)新,采用新的方案。我們的目的是解決載重和續(xù)航的問題,條條大路通羅馬。
 
(本文內(nèi)容由常鋒無人機(jī)CEO趙自超分享,新智造金紅整理)
 
 
 
 
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