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王宇恒
摘要四旋翼无人机是一种可垂直起降，具有多旋翼结构的遥控或自主飞行器叫四旋翼无人机体积小、重量轻，便于携带，由于其可以垂直起降，对飞行场地的要求也大大降低，甚至可以在室内等狭小的空间飞行.除此之外，四旋翼无人机还有成本低、噪音小、安全性高、机动性强等优点.文章主要介绍了多旋翼无人机的发展历程，并对目前常见飞行器的优缺点进行了分析，从而总结出多旋翼飞行器的特点，最后对多旋翼飞行器的操控系统和构型进行了分析总结. 关键词多旋翼无人机；发展历程；构型分析
中图分类号V27文献标识码A文章编号1674-6708（2019）247-0142-03
无人驾驶的飞机简称无人机（UAV），是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机^如果从机体结构方向分类，可以把无人机分为固定翼和旋翼无人机，固定翼无人机一般机体较大，机械结构比较复杂，对无人机操作者有很高的要求。在旋翼无人机中，可以大致分为单旋翼无人机和多旋翼无人机。单旋翼无人机就是我们平时所说的直升机，而多旋翼无人机则包括四旋翼、六旋翼、八旋翼甚至更多
旋翼的飞机。其中，四旋翼无人机是目前结构最为简单、应用最为广泛的旋翼无人机。
四旋翼无人机是一种可垂直起降，具有多旋翼结构的遥控或自主飞行器它的机械结构非常简单，机身仅仅是由一个十字形机架和四个电机构成。四个电机给予无人机向上的升力，分别调整四个电机的转速就可以控制飞行器的飞行姿态。四旋翼无人机体积小、重量轻，便于携带，由于其可以垂直起降，对飞行场地的要求也大大降低，甚至可以在室内等狭小的空间飞行。除此之外，四旋翼无人机还有成本低、噪音小、安全性高、机动性强等优点。 正是由于四旋翼无人机的这些优点，近些年来其受到了广泛的关注。比如无人机航拍、无人机快递、电路巡检、农药喷洒、军事侦察，等等。可以说，四旋翼无人机正在发展成为集军用、商用、民用多位一体的无人驾驶工具。
1发展历程
多旋翼飞行器的发展历史悠久，在飞机诞生后不久便有了早期的设计与构型W o1907年法国Breguet兄弟在教授C.Richet的指导下，进行了旋翼式直升机的飞行试验。这是最早的有记录的构型，因为设计不切实际并没有取得成功。：1923年，E.Oemichen在重新设计多旋翼设计后，实现起飞并飞行14分钟，创造了当时世界直升机飞行纪录。
法国Parrot公司历经六年时间，开发出了技术领先，轻便小巧的AR.Drone四旋翼玩具，取得了非常不错的反响。三年后，中国大疆推出了理念领先的小精灵Phantom—体机。这款飞行器伴随移动设备软件应用的发展，成本也变得更加低廉。这些新产品促进了多旋翼更进一步的发展。在这之后，3D Robotics公司聘请连线杂志主编C.Anderson在2012年底担任公司CEO，除了推出多款多旋翼飞行器之外，还维护并支持了APM开源多旋翼软硬件升级和网站的建设与维护叫2013年底，Pixhawk硬件被3D Robotics公司与苏黎世联邦理工学院PX4开源飞控开发团队共同推出。
如今，多旋翼无人机凭借其独特出的性能，引起了越来越多的研究人员的关注。美国斯坦福大学开发的Nixie无人机是世界上第一款可穿戴式无人机，其形状与手表无异，按下开关，飞机自由展开，变成一架四旋翼无人机。用户可利用手机App进行操控。
2常见飞行器的分类
根据飞行方式的不同，常见的飞行器通常分为固定翼飞行器、直升机、多旋翼飞行器、复合飞行器。
固定翼飞行器是一种常见的飞行器，是历史最悠久的飞行器之一。其具有续航时间最长、飞行效率最高、载荷最大的优势，但是其起飞需要助跑，降落需要滑行，对起降场地的需求限制了其全面推广。直升机是一款应用广泛的飞行器，有着许多用途。直升机垂直起降，受限制小于固定翼飞行器。
作者简介：王宇恒，北京市第九中学.《科技传播》142
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但是相较于固定翼飞行器，其续航时间不如固定翼飞行器，且机械结构复杂，有高维护成本。多旋翼飞行器是一种新兴飞行器，其小巧轻便，垂直起降，简单的机械结构和易于维护的优势使其在军事、娱乐、探测、治安等多方面有所应用。但是受限于自身的动力系统与机械结构，其载重与续航时间都更差。复合飞行器结合了旋翼飞行器与固定翼飞行器的特点。其机身上的螺旋桨可以使得它具有垂直起降能力，而机身上的固定机翼又能使得它能够像普通固定翼飞机一样，在空中依靠固定翼巡航，这样，就兼顾了直升机垂直起降的优点和固定翼飞机航向时间长的优点。但是，这类复合飞行器也存在结构复杂，难以维护的缺点。 由上述分析可知，多旋翼飞行器相较于固定翼飞行器和直升机来说，具有更好的实用性。多旋翼飞行器没有活动的部件，机械可靠性高，总体可靠性很高。此外，多旋翼飞行器运动相互解耦，刚性体验良好。
3多旋翼飞行器的操控分析
四旋翼无人机依靠4个电机提供升力，4个电机的转向示意图如图1所示，通过调节4个电机的速度可以对四旋翼的高度、俯仰、横滚、偏航进行控制，从而控制四旋翼在飞行中的姿态。下面将结合图5.1对姿态控制原理进行具体说明。
图1四旋翼电机转向示意图
31高度控制
由于四旋翼的4个螺旋桨均产生升力，因此，当它们产生升力的合力与机身所受重力相等时，四旋翼就能够悬停在空中。当四个电机转速同时增加，升力增大时，四旋翼就能够垂直上升；同理，如果4个电机同时减速，四旋翼就会垂直下降。
3.2俯仰控制
若要使四旋翼绕X轴旋转，则需要电机2和电机4产生拉力差。当电机1和电机3速度不变，同时电机2的速度增加量等于电机4的速度减少量时，四旋翼会绕X轴向前俯冲，并且4个螺旋桨所产生的反扭力依旧可以互相抵消，四旋翼不会原地旋转。如果要使四旋翼横滚的同时继续向前行进，则需要四个电机再同时增加相等的转速，当然，转速变化后，电机2的转速仍然大于原转速，电机4的转速
仍然小于原转速，只是电机2的转速增加量要大于
电机4的转速减小量。
3.3横滚控制
对于四旋翼来说，由于其具有高度对称性，因
此横滚控制和俯仰控制的方法是基本相同的，只需
要调节电机1和电机3使之产生升力差，就可以实
现横滚控制。同理，如果需要令四旋翼向左或向右
行进，也需要同时调控4个电机的转速。
3.4偏航控制
四旋翼的偏航是通过调节4个螺旋桨作用在机
身上的反扭力的差来控制的。如果电机1和电机3
减速，同时电机2和电机4加速，那么电机2和电
机4对机身作用的反扭矩会大于电机1和电机3对
机身作用的反扭矩，机身就会顺时针旋转，同时由
于它们的速度变化量是相等的，因此四旋翼会在空
中原地旋转，并不会上升或者下降。令四旋翼逆时
针转动的方法同理。
4多旋翼飞行器的构型分析
4.1多旋翼飞行器总体结构
多旋翼飞行器通常由机身主体和动力系统构成，利用遥控器与地面站进行控制与信息传输⑹。
在飞行器上，利用接收器接收遥控器信号，与GPS
芯片和自驾仪配合进行有控制的运动。飞行器动力
来源于电机、螺旋桨和能源系统电池。
4.2机身主体
多旋翼飞行器机身主要由机架、起落架组成。
机架是多旋翼飞行器的承载平台，搭载所有的设备。
机架的材质多种多样，碳纤维材质刚度和强度较大，
但价格昂贵；铝合金材质刚度较大，但强度相对较小。刚度指机身受力形变程度，刚度越大，形变越
难改变；强度指抗拉强度，强度越大，拉断前承受
的最大标称拉应力越大。起落架用于支撑飞行器，
承受飞行器压力。同时，起落架使飞行器与地面产
生一定距离，避免螺旋桨离地面太近，发生碰撞。
4.3动力系统
多旋翼飞行器以螺旋桨作为直接产生动力的部件，在与电机和电调的搭配下产生和动力。选择合
适的电机电调与螺旋桨相搭配，可以节约能源，提
高续航时间。
螺旋桨通过自身在介质中转动来向前前进。在
表示螺旋桨型号时，用前两位表示螺旋桨直径，后
两位表示螺距。螺旋桨转动惯量是评判改变转速所
需耗能的标准，螺旋桨的转动惯量越小，改变转速
所需的能量越小，控制起来更灵敏。
电机通过把电能转化为机械能使螺旋桨转动。
多旋翼飞行器的电机多选用无刷直流电机，利用电
子电路转向，减少电火花对无线电遥控的干扰，同
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时能够减少噪音。
电调是给电机调速的装置，同时起到为遥控接收器上其它通道的舵机供电，为无刷电机进行电子换相，
保护电池的作用。不同的电机需要电流不同的电调，要留有足够的安全裕度容量，避免损害设备。电调具有可编程性，设定内部的参数可以使电调达到最佳性能。
电池是重要的能源装置，电池容量的大小关乎航模的续航时间。目前市面上的电池种类很多，其中锂电池和银氢电池以优异的性能和低廉的价格，最为受人青睐。电池的电压和容量会随着放电过程下降，影响电池的放电能力。电池也具有内阻，与电池本身的构成有关，而且会随着充放电的过程而变化。
5结论
四旋翼飞行器具有独特的优势。与固定翼飞机相比，四旋翼具有可垂直起降、能自主悬停、操作简单、飞行灵活等优点；与单旋翼直升机相比，它又有结构简单、易于控制、飞行稳定、陀螺效应弱等优点。因此，四旋翼的应用越来越受到各大公司的重视。
本文首先对多旋翼飞机的发展历程进行了介绍，随后分析了常用飞行器的种类及特点，对比了多旋翼飞行器的优缺点，接着对多旋翼飞行器的操控方式进行了分析，最后对多旋翼飞行器的构型进行了详细分析与总结。
參考文献
[1]赵述龙，安宏雷，刘建平，等.四旋翼飞行器模型的气动参数辨
识[J].电子测量与仪器学报，2013(8).
[2]桑遥，罗晨，姜威威，等.无人机在电力行业的应用[J].通信
电源技术,2019,36(4):77-78.
[3]赵述龙，安宏雷，刘建平，等.四旋翼飞行器模型的气动参数辨
识[J].电子■测量与仪器学报，2013(8).
⑷全权.解密多旋翼发展进程[J].机器人产业，2015(2):
72-83.
[5]赵文娟，李邵颖，王増彩.小型四轴飞行器控制系统的研究与
设计[J].南方农机，2019,50(2):195.
[6] 王天涯.四轴飞行器的设计与控制[D].淮南：安徽理工大
学，2017.
什(上接第136页卅
传播效果更好，推送位置和字数对传播效果无显著影响。
6结语
‘2文通过对孔子学院官方文章抽样研究发现，孔子学院主要推文集中于文化传播、汉语教育的推广、以及中外友好关系的展示，这样的定位符合孔子学院自身的角。通过内容分析法得出的数据可知，该推文同质化现象严重。各领域、各主题的文章传播效果差别不大，定位不够明确，用户难以从中选择出最需要的信息。通过个案研究发现，样本中唯一一篇阅读量超过10万的文章，内容是国际汉语教师招聘，说明用户关注该主要目的是得到实用性的、与对外汉教相关的通知公告。
传统观念认为，丰富的推文形式、生动的标题有助于提升传播效果。但本文研究发现，该纯文字的推文更受读者欢迎，图片、视频、音频对提升传播效果作用不大。同时文章标题的生动性不够，六成以上标题使用陈述句，八成以上标题无修辞，难以引起读者情绪，引发读者共鸣。
针对以上问题，本文认为该应通过以下对策提升传播效果。首先明确受众定位与受众心理，多推送功能性文章、与汉语教育有关的文章，同时使交互方式多样化，可综合运用陪聊式对话、单向推送信
息、互动式推送、用户选择性订阅，拓展传播关系链，加入服务号连接、其他单位的连接，必要时促进线上线下的合作[5]o
參考文献
[1]耶迪.孔子学院扩大中国文化影响力的路径研究[J].山东大
学，201&
[2] McCombs M E,Shaw D L,“The agenda-setting
function of mass media,”Public opinion quarterly 36(2)(1972):pp.176-187.
[3]Kiousis,S.,Explicating media salience:A factor
analysis of New York Times issue coverage during the2000U.S.presidential election,Journal of Communication54(1)(2004):pp.71-87.
⑷吴明隆•问卷统计分析实务—
—spss操作与应用[J].重庆：重庆大学出版社，2018.
⑸袁現链接分享行为的动因探究[D].西安：西北大学，
2016.
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