油動(dòng)多旋翼各種方案比較和發(fā)展趨勢(shì)（附PPT）｜雷鋒網(wǎng)公開課

雷鋒網(wǎng)按：本文內(nèi)容來自常鋒無人機(jī)CEO趙自超在雷鋒網(wǎng)硬創(chuàng)公開課的分享，由雷鋒網(wǎng)機(jī)器人垂直欄目“新智造（公眾號(hào)：新智造）”整理。

嘉賓簡(jiǎn)介：趙自超，導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制專業(yè)碩士，深圳常鋒信息技術(shù)有限公司創(chuàng)始人及CEO。2008年考入哈爾濱工程大學(xué)首屆陳賡實(shí)驗(yàn)班自動(dòng)化專業(yè)，2011年保送本校研究生。研究生期間放棄澳洲國立大學(xué)全獎(jiǎng)博士學(xué)位，創(chuàng)辦深圳常鋒信息技術(shù)有限公司。從事無人機(jī)研究7年，期間匯集了一批無人機(jī)發(fā)燒友，在不斷地研發(fā)與創(chuàng)新過程中填補(bǔ)油動(dòng)多旋翼多項(xiàng)技術(shù)空白，獲得多項(xiàng)國家專利。曾獲邀參加國家“十二五”科技創(chuàng)新成就展。

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。

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。

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。

讀者提問：

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。

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