常见类型与典型应用-多旋翼无人机实训

根据总体结构、外形、操纵手段、使用需求等内容，多旋翼无人机可以有不同的分类方法，不同类型的无人机对应着相应的行业应用领域。

（1）常见类型

在此选择与行业应用较为紧密的3种分类方法予以说明。

（1）按动力类型

从旋翼空气动力原理角度分析，多旋翼无人机螺旋桨旋转所产生的升力，不仅取决于转速，还取决于桨距。换句话说，调节旋翼转速和桨距都可以调节升力的大小。如果多旋翼无人机以电动机作为动力来源，仅采用电子调速装置来改变旋翼转速并调节升力大小就非常简单方便了；如果因特殊应用必须以燃油发动机作为动力来源，由于燃油发动机的最佳功率对应的转速是固定不变的，因此就不能采取变速的方法，只能通过改变螺旋桨桨距的方法来调节升力的大小。

①电动多旋翼无人机。以电机作为动力来源，是目前多旋翼无人机的主流机型，特别适合个人DIY组装。其动力系统由电池、电调、电机和螺旋桨等4部分组成，电池一般采用高能量密度的锂聚合物电池，氢燃料、太阳能等新能源电池因受制于现有技术和成本，暂时还无法普及；电调和电机是无人机动力系统的核心，对于无人机的整体稳定性和动态特性起着关键作用，目前的配置均为无刷电调和无刷电机；螺旋桨的桨距固定不变，升力的大小取决于螺旋桨的转速。

②油动多旋翼无人机。以燃油发动机作为动力来源，例如活塞式发动机、定轴涡轮发动机等。一般采用燃油直驱和油动变距两种技术途径，较好解决了制约多旋翼无人机应用的两个痛点：载重与续航，但技术仍有待进一步发展。

油动直驱就是通过直接改变发动机转速来控制无人机的姿态飞行，与电动多旋翼的驱动方式及原理基本一样；油动变距是通过改变螺旋桨的桨距来改变其升力的大小，这是由于燃油发动机的最佳功率对应的转速是固定不变的。与传统单旋翼直升机的最大区别是只操纵旋翼总距，而不是周期变距，相当于取消了自动倾斜器、液压系统和尾桨，从而大大简化了总体结构。

2）按市场定位

多旋翼无人机按其应用市场定位，包括机型、动力、航时、载重和售价等，可分为3种类型。

①工业级：大多为油动变距型，旋翼直径大，长航时，大载重，广泛应用于农业、电力、安防、侦测和对地攻击等民用和军用领域，售价为几十万元甚至几千万元不等。

②商用级：油动、电动或油动混合等均有分布，航时和载重介于工业级和消费级之间，售价在十几万元到几十万元。

③消费级：大多为电动变速型，螺旋桨直径小，结构简单易操控，航时短，载重小，比较适合个人使用，售价为几千元或几万元。

3）按运营管理

参考民航局飞行标准司最新颁布的《民用无人机驾驶员管理规定》（2018年8月31日），民用无人机（含多旋翼）依据其运营管理可分为以下7类，见表1.1。

表1.1　民用无人机按运营管理分类

注：1.在实际运行中，Ⅲ、Ⅳ、Ⅺ分类有交叉时，按照较高要求的一类分类。
2.对于串、并列运行或者编队运行的无人机，按照总质量分类。
3.地方政府（例如当地公安部门）对于Ⅰ、Ⅱ类无人机质量界限低于本表规定的，以地方政府的具体要求为准。

（2）典型应用

多旋翼无人机相较于其他无人机具有得天独厚的优势，与固定翼飞机相比，它具有可垂直起降、定点盘旋的优点；与单旋翼直升机相比，具有机械结构简单、安全性高、使用成本低等优点。这些优点使得多旋翼无人机不论是在军用还是在民用领域都获得了非常广泛的应用。

1）军用领域

无人机最早的应用起源于军事需求，迄今为止，军事领域的应用仍以固定翼无人机为主力机型。相比固定翼无人机，多旋翼无人机在续航时间、飞行速度以及升限上劣势较为明显，特别是在负重量大、高海拔飞行时，续航时间将会大幅缩减。因此，多旋翼无人机并不太适合大纵深机动作战，也无法实现高空长航时侦察监视，并且难以携带大量弹药进行毁伤打击，这是目前多旋翼无人机在军事领域应用较少的主要原因。

但是，多旋翼也有固定翼所难以具备的优良特性，例如，多旋翼无人机体型较小，噪声低，红外特征不明显，可超低空飞行，不易被发现；起降方式为垂直起降，在飞行范围内完全可控，精准悬停等。这些特征使其在城市、林地等复杂地形环境实施特种作战时，其使用效果要明显优于始终处于高速飞行状态下的固定翼无人机。甚至在条件允许时，可以潜入室内、山洞、地下建筑等，实施零距离的一线侦察与毁伤打击，这是固定翼无人机无法做到的。(www.xing528.com)

又如，多旋翼无人机的悬停特性，可以对小范围固定区域实施高强度战场监视，而垂直起降特性使其起降平台可以是舰船、装甲车辆、运输机等，与其他装备的协同性很高。多旋翼无人机的通用性也十分可观，不同于固定翼无人机任务载荷设计，必须符合整机空气动力学要求，多旋翼无人机携带实用载荷质量、外形不会受到各种限制，一架可以投放物资的多旋翼无人机同样可用来投放炸弹。

归纳多旋翼无人机的上述特性，结合现代战争需求以及目前全球无人机行业在多旋翼无人机军用化领域做出的一些研究，预期多旋翼无人机的军用应用及作战模式会在以下几个方面逐步实施探索。

①复杂地形环境下的ISR（情报、侦察和监视）

执行城市、丛林作战等复杂地形环境下的侦察、监视、跟踪和识别，协同其他武器装备完成目标指示、炮火校射与毁伤评估等；或者，使用微型多旋翼无人机潜入山洞、室内、地下建筑等完成侦察、识别，协同特种作战人员完成室内近距离战斗（CQB）。

②随行护卫

随装甲车辆、舰船等配备，担负前出探索、侧翼护卫、驻扎警戒等职责，探测潜在威胁并实施有效拦截。

③精准毁伤打击

利用多旋翼无人机体型小、红外特征不明显的优势潜入敌后，采用雷达探测技术完成自主飞行，智能控制躲避抓捕，高清摄像头与图像识别技术融合对敌方关键人物、油库、弹药库、通信设备等重点目标进行搜索与识别，并使用携带的微型弹药完成击杀。

④集群作战

可经由地面站分配，多机协同悬停于各自指定位置实现对重点作战区域全覆盖和高强度监视，或者围绕己方受保护的重点目标组成立体防护网，多角度发现敌方攻击征兆和来袭目标，并快速响应实施拦截包围。

2）民用领域

作为高新技术产业之一，我国民用无人机的爆炸式发展与市场份额的不断扩大，催生出资本持续流入、技术快速进步的发展态势，形成了较好的良性循环。特别是多旋翼无人机关键技术，在全球始终保持着较大的技术优势。多旋翼无人机广泛应用在国民经济的多个领域，其中已形成规模效应的成熟应用，表现在以下3个方面。

①航拍/航测

无人机航拍/航测系统是一种高度智能化、稳定可靠、作业能力强的低空遥感系统，其组成通常包括多旋翼无人机、数据获取系统、地面控制系统和配套作业软件（航线规划软件、航摄影像质量检查软件、影像处理软件）等。系统以无人机为飞行平台，利用高分辨率相机系统获取遥感影像，利用空中和地面控制系统实现自动拍摄、获取影像、航迹规划和监控、信息数据压缩以及自动传输、影像预处理等功能。

无人机航拍/航测系统的作业优势体现在：与卫星遥感相比，无人机航高较低，可在云下飞行，因此对天气的要求相对较低，并且所拍影像分辨率高、实时性好、自主性强；与普通有人机遥感系统相比，无人机航拍操作更加方便，起飞降落受场地限制较小，易于转场，且能够到达人无法涉足的危险区。

目前，以多旋翼为飞行平台的航拍/航测技术已在许多领域得到成熟应用，如地籍测量、全国土地使用变更调查监测与核查、气象勘探以及地质灾害监测等。

②农药喷洒

病虫害对粮食作物产量影响巨大。喷洒农药是目前病虫害防治的重要措施之一，也是田间最累、最危险的工作。全国每年因使用农药而中毒的人数高达数万人。利用无人机进行农药喷洒有诸多优点，例如，人体基本无须直接接触农药，减少了农药对农户的化学伤害；由于是空中喷洒，减少了对粮食作物的机械损伤；喷洒农药时，无人机进行的是超低空飞行，这就回避了严格的空中管制；多旋翼无人机起降方便，可适用于田间、山地等多种地理条件；无人机采用GPS定位和自主飞行控制，随着技术的成熟，准确性日益提高，保证了喷洒作业的精度和安全性。目前，无人机农林植保技术已形成规模化趋势，产业前景十分广泛。

③电力巡线

电力线路巡视是电力系统重要的日常维护性工作之一。随着电力系统对稳定性和可靠性的要求越来越高，传统的人工巡视已经不能满足目前的工作需要。在人工巡视工作中，工人劳动强度大、效率低；而且巡视结果很大程度上依赖于人的主观感受，很有可能误判漏判，也难以复查；另外，部分地区因巡视人员无法靠近而难以开展有效的巡视工作。为克服上述困难，欧美等国在20世纪50年代开始尝试利用有人直升机进行巡线、带电作业和线路施工等工作。随着无人机技术的发展，其在质量、体积、机动性、费用、安全性等方面的优势都比通用直升机更明显，因此，利用无人机，特别是多旋翼无人机进行巡线，逐步成为电力行业的研究热点。

电力线路巡视主要分为正常巡视、故障巡视和特殊巡视3类。正常巡视主要是针对线路本体（包括杆塔、接地装置、绝缘子、线缆等）、附属设施（包括防雷、防鸟、防冰、防雾装置，各类监测装置、标识警示设施等）以及通道环境的周期性检查。故障巡视是在线路发生故障后进行检查，巡视范围可能是故障区域，也可能是完整的输电线路。特殊巡视是在气候剧烈变化、自然灾害、外力影响、异常运行以及对电网安全稳定运行有特殊要求时进行检查。

电力巡线的任务载荷涉及可见光成像、红外成像和紫外成像等技术，因此设备价格较为昂贵。通常情况下，一个完整的电力设施检测应该包括紫外成像、红外成像和可见光检测等各类手段，美国电力研究会对电网检测的数据统计，在所有发现的问题中，50%是紫外发现的，28%是红外发现的，22%是可见光发现的。