被委托使用无人机进行大型晚会现场拍摄,需要保证一定的拍摄时间,需要重复升空完成拍摄任务,由于是夜间拍摄,需要挂载更多、更重的专业设备。此时无法采用平日里使用的航拍四旋翼无人机。

  一位电力部门负责人,需要为巡线项目采购无人机,要求该无人机具备一定的巡航速度,较远的飞行距离,能够搭载专业设备,简单操作。该选择四旋翼还是其它机型呢?

  一位普通使用者想给自己的侄子买一个小无人机玩具,小盆友年纪很小,操作能力有限,主要在家庭中使用,买哪种产品更安全呢?

  无论你是无人机爱好者,职业应用者(航拍),创业者,行业使用者(农业,工业),行业投资人,都需要了解无人机的知识。不同的无人机机型,飞行效率不同,姿态控制原理不同,数学模型不同,气动特性不同,操作方法不同,适用的任务也不同。

  固定翼类无人机是最早出现的无人机机型。常用的接收机通道名称依然沿用了固定翼遥控飞机中使用的叫法:AIL-副翼;ELE-升降舵;THR-油门;RUD-方向舵;GRY-起落架等。这些名称在多旋翼或者其它类型无人机中并不使用,但依然沿用这类称呼,足见固定翼在无人机机型中的重要位置。

  固定翼无人机的动力原理非常简单:动量守恒F=mv。一般可通过机身前部或者后部的螺旋桨推送空气提供反向动力,同时在高空中借助气流飞行与姿态调整。借助副翼,升降舵,方向舵提供无人机飞行需要的横滚,俯仰,姿态力矩——其实从名称就可以一目了然地明确控制方法了。

  上图只展示了固定翼无人机一组副翼的舵机安装示意。一般小型固定翼无人机会搭载一个或若干无刷电机,连接定距螺旋桨提供飞行动力;若干舵机分别控制副翼,升降舵,方向舵以提供姿态力矩。

  传统小中型固定翼无人机由于机身尺寸和载重能力限制,一般不具备搭载过大的动力系统的能力,因此需要借助外力起飞。

  上图左为RQ-11B无人机,右为洛克希德马丁公司的沙漠鹰无人机。手抛起飞一直是小型固定翼飞机的重要起飞方式。大家经常看到航模爱好者具备结实的右臂,粗壮的腰围,大抵是手抛无人机的需要(也有可能啤酒喝太多),与清瘦技术宅的多旋翼飞手形成鲜明对比(玩笑,玩笑来的)。

  但随着无人机尺寸的增大,挂载设备后重量提升,还采用手抛飞行对飞手来讲也太“不人道”了,如此一来就有了另外一种常见的固定翼无人机起飞方法:弹射起飞

  上面两幅图都为美国海军陆战队在伊拉克,阿富汗地区经常使用的“扫描鹰”无人机。弹射起飞方式有利于将更大型的无人机部署到更多地点如山地,航母等。

  传统小中型固定翼无人机的起飞方式只有以上两种。但最近几年,固定翼无人机通过机身结构设计创新具备了新的垂直起降能力。

  从上到下分别是成飞的VMA,中航的VD200,谷歌的projectwing。这类固定翼无人机通过垂直机身,定距桨提供上升动力,达到起飞高度后,借助机身下部的副翼,襟翼引导气流流向,变换无人机飞行方式,最终采用固定翼的飞行模式,如下

  从上到下分别为亚马逊的Prime Air无人机,Arcturus UAV的 Jump VTOL系统,基本上就是叠加了多旋翼机特有的旋翼系统到固定翼机身上,构成独立的起飞系统以提供升空动力。

  哇塞!垂直起飞固定翼好有逼格!好牛叉!好好吃!……那为什么还没怎么见到产品嘞?难道是——有猫腻?!!!

  传统的手抛型无人机和弹射型无人机都是借助外力起飞,这样的起飞方式使得固定翼无人机具备更多的负载空间与负载能力,只要能够抛得动,弹得飞,等到天上去就可以借助气流提供飞行。

  垂直放置机身的起飞模式使得固定翼具备了垂飞能力,但由于完全依靠本身的定距桨提供升空动力,就必须增加旋翼尺寸,减小固定翼无人机本身的重量以及携带的设备重量。往往一个旋翼还不够,需要至少两个旋翼提供动力,但无人机机身尺寸有限制,安装部位也受限制,导致彼此距离很近,旋翼间容易产生比较大的气流影响,难以保证垂直飞行或者垂直定点的稳定性。在机身改变飞行模式(垂飞变固定翼巡航)时是一个非线性过程的线性化控制,此时对扰动,内部操作都非常敏感。同时当转变为固定翼飞行模式后,强大的动力又变得毫无必要,徒然提升了能量耗损。

  增添垂飞旋翼系统的设计方式同样使得固定翼无人机具备了垂直起飞能力,因为是布局在机身的平面上,空间比较宽裕,可以通过多个小旋翼拉大彼此间距,在提供足够升空动力的前提下避免旋翼间扰流。同时在飞行模式变化上可以直接切换,无需增添额外的中间过程。但垂直旋翼系统意味着要增加额外的动力元件——发动机或者电机。而这类元件在小型无人机系统中既需要挤压机身内部安装空间也需要固定翼让出一部分载重能力。同时当垂飞变为巡航,也就是切换回固定翼模式后,这几个旋翼将变为彻底的累赘。

  (传统的)固定翼无人机在没有电源时具备天然的滑翔能力,对驾驶与技术失误的“鲁棒性”更强,可以在电量较低时携带更大载重,飞行更远距离。但对于需要精确悬停的飞行任务而言,固定翼就不好使了,因为——它没办法定点悬停,只能围绕着某点进行圆周盘旋飞行。

  对于航拍职业人士,固定翼无人机不适合定点拍摄某一对象。但对于拍摄城市高空景观,风景区高空景观等等,这类飞行时间长,拍摄高度高,气流环境比较复杂,携带设备比较多的任务是非常合适的选择。而且在冬天,电池性能非常不稳定,多旋翼无人机每个飞行动作都需要动力维持,此时50%的电量提示等于告诉你“快点返航”,而固定翼飞机在空中只需要对一个定距桨提供动力,甚至借助本身的滑翔能力,在动力完全所剩无几的情况下只需提供舵机姿态控制,具备“比较平稳”的降落控制能力,保证了设备的安全使用。

  对于地理测绘,电力巡检,农业植保,这类任务传统就时常采用的小型固定翼载人飞机完成,而固定翼无人机同样具备高空飞行,长时间续航以及强大的载重能力。同时固定翼机型容易进行气动设计与机身结构创新,能够根据不同任务提供多种产品设计,而无需将精力分散到类似多旋翼的动力环节上。

  对于航模爱好者而言固定翼无人机机身选择多种多样,可以彰显个性,并且很容易进行内部系统设计。组装,飞行,操控都非常容易上手。同时——它便宜啊!几块RMB到几十块RMB不等,都可以买到非常不错的机身相比于动辄几百RMB还尺寸十分有限的多旋翼机身,固定翼可以节约成本以便购买更好的电机或飞控系统。

  对于创业者而言,多旋翼无人机市场过分拥挤,同时误导、限制了很多应用与创新的途径。另辟蹊径不但节约成本,也可以提供更为丰富的创新途径。君不见Paroot都推出Disco固定翼无人机了么?

  今后会持续更新,不断提供直升机型无人机,多旋翼型无人机,涵道类无人机等的相关内容。如果读者有好的建议,或者需要哪方面的内容:不同类型无人机,飞控,旋翼,算法设计,系统设计……都欢迎留言,或者微信联系。MR.城堡最喜欢和无人机爱好者聊天,因为共同的爱好才是友情的基础啊!

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