（1）探索期（20世纪90年代之前）
图1.10 竹蜻蜓基本结构
旋翼类航空器主要是利用旋转的翼面获得升力，其原型可以追溯到公元前500年左右由中国人发明的竹蜻蜓，即使到了2 000多年后的今天，竹蜻蜓仍然是全世界孩子们非常喜爱的玩具之一。
1）竹蜻蜓的结构与飞行原理
竹蜻蜓的结构十分简单，由一根竹柄和一个竹片组成。将竹片打出一个小圆孔，用于安装竹柄。然后在小孔两边对称各削出向同一方向的倾斜面。竹片前缘圆钝，后缘尖锐，上表面圆拱，下表面平直，类似于固定翼飞机的平凸型机翼，如图1.10所示。
竹蜻蜓的升力来源于两个方面：
①根据伯努利定理，平凸翼型的竹片在旋转时，上、下表面会形成压强差，从而产生向上的升力。
②叶片和水平旋转面之间的夹角称为竹蜻蜓的倾斜角。因为倾斜角的存在，旋转的竹片将空气向下推，形成一股强风，而空气也给竹蜻蜓一股向上的反作用升力，且这股升力会随着竹片倾斜角的改变而改变。
2）早期多旋翼研制面临的难题
竹蜻蜓传到欧洲后，为西方的设计师和发明家们带来了研制旋翼类飞行器的灵感，但这种灵感在解决以下两个难题时却显得十分苍白。
①单个旋翼的反扭矩问题。现以传统单旋翼带尾桨直升机为例来进行阐述，如图1.11所示。当主旋翼由发动机带动旋转时，旋翼给空气以作用力矩（也称扭矩），根据作用力与反作用力原理，空气必然在同一时间以大小相等、方向相反的反作用力矩作用于旋翼（即反扭矩），并通过旋翼将这一反扭矩传递到直升机机体上。如果不采取措施予以平衡，那么这个反扭矩就会使直升机向旋翼转动相反的方向产生旋转。为了克服这种反扭矩，最常规的方法就是安装一个尾桨，由尾桨旋转所产生的力矩来抵消主旋翼的反扭矩，保证直升机的平衡飞行。
图1.11 主旋翼—尾桨布局的传统直升机
需要说明的是，直升机的发明是在研究和探索旋翼类飞行器的艰苦过程中逐步实现的，这里只是借鉴这种主旋翼—尾桨的成熟设计来说明反扭矩的存在及配平方法。而在旋翼类飞行器的早期设计时，人们最容易想到的是采用合理布局的多旋翼方案，通过多个旋翼彼此反转来解决相互间反扭矩的配平问题。可惜因为当时科学技术和制造工艺的限制，以及高昂的成本，研制的各类飞行样机在速度、载质量、飞行范围和续航性等方面都难以达到预定的期望值。
②多个旋翼的稳定与操纵问题。从定义来看，多旋翼必须具备3个及以上的旋翼轴，这种机体结构属于非线性（不稳定）、欠驱动（不能完整驱动）系统，多个旋翼之间升力大小的协调平衡要想完全依靠人手来调控几乎是不可能的。要想操纵多旋翼稳定飞行，驾驶员需要密切关注飞行器的姿态和轨迹，脑、眼、手、足等必须时时刻刻处于高度紧张的工作状态，人的控制精度很难满足实际作业需求。而且，人眼的有效视距是非常有限的，距离越远，控制精度越差，人为飞行控制更是难上加难，一旦飞行器翻过来之后基本没办法控制回来，“炸”机也就在所难免了。
当然，众所周知，解决多旋翼操纵难题的最好方法是利用自动控制器（飞控）来控制飞行器的姿态，而控制姿态的前提则是需要通过惯性导航系统来获取姿态及位置信息。可惜的是，在20世纪90年代之前，惯性导航系统因体积和自重过大而无法在多旋翼中使用；同时，传感器和微控制器等软硬件技术的不成熟，导致多旋翼的姿态检测和控制等受到极大局限，难以进入真正的实用阶段。
事实上，多旋翼的探索和研究起步较早，1907年就有研制样机成功试飞的历史记录，其设计理念的先进性在后续探索过程中还一度得到过军方的重视。例如，美国陆军就曾在20世纪50年代对一种被称为“飞行吉普”的多旋翼飞行器进行过技术测试，如图1.12所示。但正如上文所述，一些关键节点上的技术和手段限制，使得多旋翼飞行器几乎没有进入真正意义上的实用阶段。主要技术障碍表现在：
a.惯性导航系统体积庞大，质量达数十千克，难以应用在小型飞行器上；
b.自动控制系统技术不成熟；
c.电子计算机体积过大，运算速度慢。
图1.12 “飞行吉普”多旋翼飞行器
（2）复苏期（20世纪90年代初至2005年）
20世纪90年代之后，随着微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）研究的成熟，质量只有几克的MEMS惯性导航系统被开发运用，使制作多旋翼飞行器的自动驾驶仪成为现实。此时，尽管四旋翼的概念与军事试验渐行渐远，但因微型自驾仪的应用，加上设计制造更为简单、飞行操纵更易掌握，四轴飞行器开始以独特的方式通过遥控“玩具”市场进入消费领域。
至于多旋翼无人机的工业级应用，尚需突破两个“瓶颈”：首先，MEMS传感器数据噪声很大，不能直接读取使用，必须研究消除噪声的各种数学算法，而这些算法又依赖单片机运算速度的提高；其次，多旋翼飞行器是一种非线性系统结构（欠驱动系统），科研人员需要花费相当长的时间进行研究和理解，并为其建模、设计控制算法、实现稳定的操纵与控制方案。(https://www.xing528.com)
（3）重新崛起期（2005—2010年）
2005年是多旋翼无人机发展的重要转折点。在这一年，伴随着微系统、传感器以及自动控制理论等技术的快速发展，稳定可靠的多旋翼无人机自动控制器研制成功，有关多旋翼飞行器的学术研究开始获得人们的广泛关注。还在20世纪90年代早期，美国工程师Mike Dammar开发了自己的由电池供电的四轴飞行器。当他来到Spectrolutions公司工作时，他以Roswell Flyer的名字销售这款产品，之后又被改名为Draganflyer，2004年，Spectrolutions公司正式推出DraganflyerⅣ四旋翼，并随后在2006年推出搭载SAVS（稳定航拍视频系统）的成熟产品，如图1.13所示。
2005年10月，全球领先的垂直起降四旋翼无人机系统开发商microdrones GmbH在德国成立，2006年推出的md4-200四旋翼，开创了电动四旋翼在专业领域应用的先河。2010年推出的md4-1000四旋翼无人机系统（图1.14），拥有更大的任务载荷、更强的抗风能力、更长的续航时间、更优秀的姿态控制，并由此在全球专业无人机市场取得空前成功。
图1.13 搭载SAVS的Draganflyer四旋翼原型样机
图1.14 md4-1000四旋翼无人机系统
至此，之前一直被各种技术瓶颈限制的多旋翼飞行器瞬间被炒得火热，其小巧、稳定、可垂直起降、机械结构简单等特点及潜在的商业价值使研究者蜂拥而至，纷纷开始多旋翼飞行器的研发和使用。2006年，德国人H.Buss和I.Busker主导了一个四轴开源项目，从飞控到电调等全部开源，推出了四轴飞行器最具参考的自驾仪Mikrokopter。2007年，配备Mikrokopter的四旋翼像“空中的钉子”一般停留在空中。
这一时期，虽然对多旋翼理论和算法的解释已经通俗易懂，但其发展仍存在一些束缚。首先，组装一架多旋翼并不是一件容易的事情，其难点在飞行器的组装，特别是飞控的调试环节；其次，尽管德国Microdrones较早地推出了易操作的工业级四旋翼，但其价格对于普通消费者来说还是遥不可及；最后，消费级的四旋翼Draganflyer因操控性及娱乐性不强（智能手机或平版电脑尚未普及）、二次开发能力弱、销售渠道窄（电商网络处于初步发展阶段）等原因难以被推广。
（4）复兴爆发期（2010年以后）
2010年是多旋翼无人机大发展的元年。在这一年，法国Parrot公司经过多年的努力发布了世界上第一款真正受到大众关注的四旋翼无人机AR.Drone（图1.15），从而开启了多旋翼消费的新时代。AR.Drone在技术和理念上的先进性具体表现在：
图1.15 AR.Drone消费级四旋翼无人机
①采用光流技术，测量飞行器速度，使得AR.Drone四旋翼能够在室内悬停；
②可以做到一键起飞，操控性得到极大提升；
③采用手机、平板或笔记本电脑控制，视频能够直接回传至电脑，娱乐感十足；
④整个飞行器为一体化设计，并带有防护装置，安全系数较高；
⑤开放了API接口，可供科研人员进一步开发应用。
实际上，对多旋翼无人机大发展具有重大意义的事件还有开源飞控代码的公布和发展，因为多旋翼无人机研制最核心的知识在于飞行控制算法的设计和程序编号。2007—2009年，德国最早公布了自己比较完善的MK飞控代码，引来众多爱好者开始研究和制作飞控。2010年，法国人Alex在模型网站Regroups发布了他的Multiwii飞控程序，彻底将多旋翼无人机的制作拉到了大众化水平。Multiwii使用数字传感器，通过IIC数据总线传输数据，因此比之前的模拟传感器飞控更加方便且小型化，其使用的控制器也是非常大众化的Arduino。虽然Multiwii程序写得并非特别易读，但在硬件方面，直到今天也是最简单、坚实的飞控之一。此后，之前不具备多旋翼控制功能的开源自驾仪纷纷增加了多旋翼这一功能，同时也有新的开源自驾仪不断加入，这极大地降低了初学者的门槛，使制造多旋翼无人机在飞控硬件制作或购买配件组装方面变得比较容易，成本进一步降低。
两年后，中国大疆创新借鉴其设计理念，推出精灵Phantom四旋翼一体机，如图1.16所示。Phantom与AR.Drone一样控制简便，初学者很快便可上手。同时，价格也能被普通消费者接受。相比AR.Drone四旋翼飞行器，Phantom具备一定的抗风性能、定位功能和载重能力，还可搭载小型相机。当时利用Gopro运动相机拍摄极限运动已经成为欧美年轻人竞相追逐的时尚潮流，因此Phantom一体机一经推出便迅速走红。
图1.16 DJI精灵Phantom
之后，大疆创新、零度等许多公司除了在市场上积极销售成品机外，还顺应欧美国家盛行的DIY潮流，在国内外大力推销组装四旋翼无人机所需要的成套软硬件的零配件，并附有详细的装配说明书，人们经过简单的学习，就能动手组装一架属于“自己制造”的、值得自豪的飞机。这种市场推销手法既让所有崇尚DIY精神的人为之振奋，跃跃欲试，又像是星星之火，点燃了人们心中自幼就有的“飞行梦想”。随着DIY四旋翼无人机活动的流行，众多爱好者的参与不仅对多旋翼无人机产业大发展做出了贡献，还很好地起到了擂鼓助威、宣传普及的重要作用。
与此同时，学术界也开始高度重视和关注多旋翼飞行器技术。2012年2月，美国宾夕法尼亚大学的V.Kumar教授在TED大会上做了四旋翼飞行器发展历史上里程碑式的演讲，演讲题为“自主控制型灵活四轴飞行机器人”，并展示了四旋翼的灵活性以及编队协作能力。这场充满数学公式的演讲大受欢迎，它让世人看到了多旋翼的内在潜能。自此之后，多旋翼飞行器受到的关注度迅速提升，成为新的商业焦点，在全球范围内掀起了一股将多旋翼飞行器商业化的热潮，引导多旋翼飞行器进入大规模快速发展期。
随着多旋翼无人机的生产和应用在国内外蓬勃发展，特别是低空、慢速、微轻型多旋翼无人机数量的快速增加，以及多旋翼无人机技术的快速进步和商业销售市场的迅速扩展，人们开始将目光转向大型、快速、便捷、航程大的载人多旋翼飞行器的开发研制，载人化将是多旋翼无人机今后最重要的转型发展趋势。
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