1.2.2 旋翼无人机的发展历程

下面以四旋翼无人机为例，阐述小型旋翼无人机的发展历程。

1907年，国外诞生了第一台旋翼式飞行器，名为“Breguet-Richet Gyroplane No.1”，如图1-26a所示。它是由法国Breguet兄弟成功设计，采用了十字架结构，当时飞行器只能达到0.60m，后续经过不断改进，最高达到过4.50m，但飞行时间受到限制，且无法实现飞行的稳定性和自主性，但具有第一次载人旋翼飞行器成功飞行的重要意义，这也为后续研究发展奠定重要意义。

1922年，George De Bothezat和Ivan Jerome在美国俄亥俄州代顿的空军基地建造了一架大型四旋翼飞行器，名为“Jerome-de Bothezat”（飞行章鱼），如图1-26b所示。该飞行器采用了十字形结构，每组旋翼由6个桨叶构成，且螺旋桨直径达到26ft（1ft=0.3048m），而4组旋翼只能由一台发动机提供动力，机体高度约为3m，它的最高飞行高度可达5m，但由于其机体结构庞大，且机身较重，仍无法实现对飞行状态的稳定控制。

1924年，法国工程师Etienne Oehmichen设计制造了一架多旋翼飞行器，名为“Oehmichen”，如图1-27所示。首次飞行高度达到360m，在接下来的试验中，飞行器的高度达到了525m。而Etienne驾驶着这架飞行器在7min 40s内成功完成了超过1km的闭环飞行。

1956年，美国Convertawings公司的D.H.Kaplan研发设计了一架四旋翼飞行器，名为“Convertawings Model‘A’”，如图1-28a所示。这架飞行器的体型和重量庞大，螺旋桨直径达到5.79m，利用两个发电机来驱动四个旋翼，而没有用到尾旋翼，通过改变4个螺旋桨的转速使得每个螺旋桨拉力得到改变，从而控制飞行器姿态。这架飞行器多次成功地实现飞行，因此“Convertawings Model‘A’”飞行器是第一个设计成功的真正意义上能够成功向前飞行的四轴飞行器。

1959—1960年期间，美国陆军邀请荷兰Curtiss-Wright公司研制四旋翼飞行器“VZ-7”（又称为“Flying Jeep”），如图1-28b所示。该四旋翼飞行器是载人飞行器，由一个矩形中央机身组成，机身有4个螺旋桨，通过改变螺旋桨的推力来控制，飞机平台机动性好，飞行容易，但由于并未达到军方要求而没有进一步研发。在这之后的数十年时间里，多旋翼飞行器的发展比较缓慢，没有过多的进展。直到近十几年，伴随着碳纤材料，传感器以及飞行控制理论等技术的成熟，为四旋翼飞行器的发展提供了支持，使得四旋翼飞行器的相关研究再次成了热点。四旋翼无人机的目前的应用领域，不仅是科研领域，也成了大众消费和商用的选择之一。

1989年，日本Keyence推出的遥控式四轴无人机“Gyro Saucer E-170”，如图1-29所示，是最早的室内无人机。随后Keyence又推出了“Gyro SaucerⅡE-570”，这一款迷你四轴飞行器，通过操纵旋翼实现对飞机姿态和方向的控制，并使用聚苯乙烯泡沫材料制作机身和旋翼，充满电可以实现3min的飞行续航。

1991年，美国工程师Mike Dammars在明尼苏达州的Spectrolutions实验室开发了由电池供电的四轴飞行器，名为“Roswell Flyer”，如图1-30a所示，并随着飞行控制和摄像技术的发展取得了重大进步，于1998年更名为“Dragan Flyer”。

2002年，遥控飞行玩具Sliverlit X-UFO，在德国年轻研究者比赛被设计发明，如图1-30b所示，飞行高度可以达到100m，是由高强度的碳纤维和 发泡聚丙烯 （Expanded PolyPropylene，EPP）组成，主要部件为陀螺仪，为了便于定位和观测速度，在螺旋桨上装有4个 发光二极管 （Light Emitting Diode，LED）灯。

2006年，德国Micro drones GmbH推出的Md4-200四旋翼飞行器，这是一种垂直起降微型自动驾驶无人机飞行器系统，可执行拍摄、搜索、测量、侦察等多种空中任务。机体和云台完全采用碳纤维材料，自重仅700g。该公司在2010年又推出了MD4-1000，如图1-31a所示，相比于MD4-200型，拥有更大的任务载荷、更强的抗风能力、更长的续航时间等。

2010年，法国Parrot公司与学校共同合作，经过多年努力推出AR.Drone四旋翼，如图1-31b所示，其技术和理念十分领先，特别是光流和超声波上的应用。四旋翼无人机带有双摄像头和增强现实视屏的无线通信技术，可以直接用手机或平板电脑控制飞行，飞机的安全性很高，机身采用泡沫塑料，可随时进行替换，不用担心坠机的风险。2013年，加拿大Draganfly公司推出了Dragan Flyer X4-ES系列无线电控制四旋翼无人机，如图1-32所示，宽3ft，重5 lb（1lb=0.4536kg），内置多个摄像头和传感器，充电后可实现5h的飞行续航，具有可折叠、质量小等特点。

2014年，亚马逊推出Prime Air，但一直为测试阶段。2016年时，亚马逊在英国剑桥展示了Prime Air无人机送货的便捷性，并同年在该地区试运行。2017年， 西南偏南 （South by Southwest，SXSW）大会上，亚马逊展示了Prime Air无人机，参观者首次近距离观察，主要针对2.5kg以内的货物，预计打包后飞行器连同物品质量在25kg以内，飞行高度可以达到120m，采用“Asense and Avoid”避障技术来确保运输中的飞行安全，能够将货物送往10mile（1mile=1609m）外的地点。2019年， 微操、自动化与机器人国际会议 （International Conference on Manipulation，Automation and Robotics at Small Scale，MARSS）上，亚马逊发布了新版送货无人机，具有6个自由度以及6个经过优化的螺旋桨，不仅能将声音减至最小，而且提高了飞行器的稳定性。Prime Air在投入使用前进行了数万次的试飞，以确保飞机的耐久性与可靠性。如今，亚马逊Prime Air已经逐步成熟，能够实现快速配送，部分地区的消费者在1h内即可收到订购的商品。

在商业领域，国内相关的无人机公司有大疆、零度智控、亿航智能和极飞科技等。2013年左右，大疆推出的小精灵Phantom1是首款内置 全球定位系统 （Global Positioning System，GPS）模块的消费级无人机，开启一体机时代。2014—2016年，小精灵系列陆续推出到了Phantom4，首次将机器学习和计算机视觉应用到无人机，具有智能跟随等创新功能。2017年，大疆发布第一款工业级无人机M200。2018年，大疆发布了Mavic 2四旋翼无人机，开创空中热成像技术并带有全方位障碍感知的传感器等。2020年Mavic 2升级到了Mavic Air 3。2021年，发布了大疆air 2s（见图1-33a）大疆mini se和Mavic 3（见图1-33b）三款无人机。

零度智控目前是混合固定翼和 无人飞行器 （Unmanned Aircraft System，UAS）的供货商，其研发核心技术和飞控研究已有十年之久，最开始发展固定翼核心控制系统，后来扩展到多旋翼无人机领域，技术池覆盖多方面。2007年，曾参与“蓝鹰”固定翼无人机的研发，之后又陆续跟进军舰鸟、雨燕等固定翼无人机在内的多个军用项目，并研发了YS09固定翼飞控系统。2016年，发布Dobby Pocket Drone，如图1-34所示，是首次在 消费电子展 （Consumer Electronics Show，CES）上展示自身研发、运营的消费级无人机产品。2018年发布的ZT-3V是一款复合翼飞行器，设计上取消了尾翼，使得飞行器具有最小的阻力、最大的升阻比和最优载重比，面向警用安防市场、聚焦测绘、巡检领域等。

亿航智能是一家全球领先的智能自动驾驶飞行器科技企业，为全球多个行业领域客户提供各种自动驾驶飞行器和解决方案。2016年推出亿航184自动驾驶载人飞行器和亿航天鹰Falcon行业应用无人机。2018年，亿航216机型首次亮相在中国国际航空航天博览会。

现如今，无人机的应用领域从最初的军用领域逐渐扩展到消费领域，国内消费级无人机市场火热，娱乐化成为无人机现在发展的趋势。随着无人机技术的成熟、成本的降低和应用的扩展，无人机将会逐渐普及，成为日常人们生活中常用的主要工具，提供更便捷的服务。

旋翼无人机结构简单，是将电动机直接连接螺旋桨，动力装置带动旋翼，通过改变螺旋桨的速度来改变拉力。旋翼无人机分为半自主和全自主控制方式，前者代表姿态、位置、高度等受控于飞控手，后者则可以完成储存在自驾仪里的预装订任务，飞控手只需要规划任务。固定翼无人机的技术已十分成熟，而旋翼无人机研究起步虽晚，但随着技术发展也可以用于各行各业。旋翼无人机是现如今科研领域中重要的研究对象之一，由旋翼个数不同而有所区分，如图1-35～图1-39所示。