早在1907年，法國人布勒蓋特·瑞切（Bréguet Richet）所發(fā)明的世界第一架有人架勢四旋翼飛行器“Gyroplane No.I”就已能升上天空。但由于構(gòu)造復(fù)雜、飛行員不易操縱等原因，四旋翼飛行器的發(fā)展并非一帆風(fēng)順。近年來，隨著新材料、微機(jī)電、微小型飛行控制等技術(shù)的進(jìn)步，微小型多旋翼無人飛行器逐漸成為迅速發(fā)展的重點(diǎn)。
　　與常規(guī)旋翼飛行器如傳統(tǒng)布局的直升機(jī)等相比，多旋翼飛行器結(jié)構(gòu)更為緊湊，動(dòng)力利用效率高，并且四只旋翼扭力矩可相互抵消，無需專門的反扭矩旋翼。多旋翼飛行器實(shí)現(xiàn)微小型化后，特別適合在近地面環(huán)境（室內(nèi)、街巷和叢林）中執(zhí)行監(jiān)視、偵察等任務(wù)，具有廣闊的軍用和民用前景。
　　目前，Air To Air公司已開發(fā)成功多款1kg級(jí)微小型多旋翼Draganfly系列飛行器，在可靠性、適應(yīng)性和多用途方面已較為成熟。本文以該系列飛行器中的四旋翼飛行器為例，揭示該類微型無人飛行器的奧秘——
　　
　　小巧的外觀和結(jié)構(gòu)
　　Draganfly四旋翼飛行器從外形上看相當(dāng)小巧，完全可以把它放在攤開的手掌中放飛，但所謂“麻雀雖小、五臟俱全”，別看它個(gè)頭小，飛行器的各個(gè)組成部分卻一樣不少。
　　總體結(jié)構(gòu)整套飛行器由機(jī)體、手持式遙控裝置、無線視頻眼鏡、無線視頻基站、充電裝備以及多種負(fù)載和備附件組成。整套飛行器可裝進(jìn)一個(gè)不大的便攜箱中，便于人員背攜。
　　飛行器的核心是機(jī)體最中央的部分，外觀呈盾形，其外殼由高強(qiáng)度碳纖維制成，保護(hù)著其內(nèi)部設(shè)置的多個(gè)基本傳感器，盾形外殼下沿則是機(jī)體電池的安裝位置；再下方是負(fù)載區(qū)，可利用隨機(jī)搭配的柔性防抖掛架搭載多種偵察器材。當(dāng)然，根據(jù)用戶需要，也可定制專用負(fù)載掛架以搭載其他特制器材。機(jī)體的起降架同樣采用柔性減震的碳纖維材質(zhì)，滑撬式設(shè)計(jì)，安裝于盾形外殼后方1/3處，可快速拆卸。飛行器的升力裝置由四具微旋翼組成，它們呈X形布設(shè)于盾形外殼四周的馬達(dá)臂上，每具旋翼分別由一副超靜音無刷式馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。與傳統(tǒng)有刷馬達(dá)相比，這種馬達(dá)具有較高的能量轉(zhuǎn)化效率、低噪聲等特點(diǎn)。至于每副旋翼，則由兩片碳纖維葉片組成，可從馬達(dá)上快速拆卸。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，互成對(duì)角線的兩副旋翼旋轉(zhuǎn)方向相同，而另一側(cè)對(duì)角線上的旋翼旋轉(zhuǎn)方向則與前兩副相反，以此來抵消彼此產(chǎn)生的扭力矩。4個(gè)馬達(dá)外側(cè)還設(shè)有不同顏色的LED閃光導(dǎo)航燈，具體為前左側(cè)為紅色、前右側(cè)為綠色，后左側(cè)為白色、后右側(cè)為藍(lán)色。當(dāng)飛行器在昏暗環(huán)境中飛行或飛行距離較遠(yuǎn)時(shí)，使用者可根據(jù)LED導(dǎo)航燈的顏色來判斷飛行器的姿態(tài)和位置。
　　飛行器尺寸Draganfly四旋翼飛行器極其袖珍，以標(biāo)準(zhǔn)配置的四旋翼飛行器為例，含旋翼時(shí)的長、寬各為64.5cm，頂部直徑為78.5cm，帶起降架時(shí)高21cm；如拆除旋翼，其長、寬則分別為36cm。起落架的安裝高度約17cm，滑橇長31cm。飛行器帶電池、空載時(shí)的質(zhì)量為680g，有效負(fù)荷約250g，最大起飛質(zhì)量為980g。
　　電池飛行器所采用的電池為鋰離子電池，容量為1900mA時(shí)，輸出電壓為14.8V，一次充電后根據(jù)負(fù)載不同可供飛行器飛行約20～30分鐘，采用專用充電器可在30分鐘內(nèi)完成充電。
　　遙控裝置用于控制飛行器的手持式遙控裝置長22cm、寬12cm，其中部是一塊顯示飛行器綜合狀態(tài)的顯示屏，左側(cè)為操縱飛行器橫滾的控制桿、右側(cè)為操縱其俯仰的控制桿，整個(gè)面板上分布有多個(gè)按鈕，頂部為兩根接收/發(fā)射天線。
　　其他附件隨整套系統(tǒng)的附配件還有迷你無線視頻基站，該基站采用三腳架駕設(shè)，主要用于傳輸和記錄偵察設(shè)備傳回的視頻和圖片，它也采用鋰離子電池供電。該基站長16.5cm、寬8cm、高4.5cm，質(zhì)量約680g。
　　在攜帶時(shí)，飛行器和其他所有備附件可裝進(jìn)一個(gè)長74cm、寬47.5cm、高28cm的便攜箱內(nèi)，便于人員背攜，由單兵攜帶。
　　
　　飛行控制
　　與傳統(tǒng)旋翼飛行器采用尾旋翼來克服主旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的扭矩相比，對(duì)稱四旋翼結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是一種最簡單和最直觀的穩(wěn)定控制形式，但由于這種旋翼結(jié)構(gòu)必須同時(shí)協(xié)調(diào)控制四個(gè)旋翼的狀態(tài)參數(shù)，這對(duì)駕駛員而言是非常困難的，所以這類飛行器問世雖早，卻始終未真正應(yīng)用到大型直升機(jī)設(shè)計(jì)中。但隨著材料、控制技術(shù)的進(jìn)步，特別是微電子技術(shù)的普及，使這一結(jié)構(gòu)的微小型飛行器得以應(yīng)用。
　　傳統(tǒng)旋翼直升機(jī)配備有主旋翼和尾旋翼，它們是通過控制兩個(gè)旋翼的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)直升機(jī)姿態(tài)和位置的控制，而微小型四旋翼飛行器與此不同，它通過調(diào)節(jié)四個(gè)馬達(dá)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)四個(gè)旋翼升力的不均勻變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。
　　就Draganfly四旋翼飛行器而言，其控制系統(tǒng)由盾形機(jī)殼下的微計(jì)算機(jī)和傳感器組組成，傳感器組由3個(gè)陀螺儀、3個(gè)加速計(jì)和1個(gè)氣壓計(jì)共同組成系統(tǒng)的慣性導(dǎo)航控制系統(tǒng)，這些傳感器探測飛行器的水平、垂直、俯仰、航向和角速度等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并將探測到的參數(shù)輸入到微計(jì)算機(jī)中，再由其計(jì)算出四個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，通過控制電源輸入各個(gè)馬達(dá)不同的電流來實(shí)現(xiàn)各馬達(dá)以不同速率旋轉(zhuǎn)，以此來對(duì)飛行器的飛行狀態(tài)進(jìn)行修正。其可實(shí)現(xiàn)6種基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，具體如上圖所示。
　　其6種基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別是垂直運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)、前后運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)。以圖中馬達(dá)1、3所在X軸為前進(jìn)方向，圖中箭頭向上表示此旋翼轉(zhuǎn)速提高，箭頭向下表示轉(zhuǎn)速下降，以此來說明各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)原理。
　　垂直運(yùn)動(dòng)垂直運(yùn)動(dòng)相對(duì)較為容易控制，因兩對(duì)旋翼轉(zhuǎn)向相反，可平衡其對(duì)機(jī)身的反向扭矩，因此4個(gè)旋翼同時(shí)提供向上升力。當(dāng)此升力大于機(jī)體質(zhì)量時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)垂直上升，反之則機(jī)體下降。
　　俯仰和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在圖b中，旋翼1轉(zhuǎn)速上升，旋翼3轉(zhuǎn)速下降，旋翼2、4保持不變。為了不因旋翼轉(zhuǎn)速的改變而引起飛行器整體扭矩改變，旋翼1、3轉(zhuǎn)速改變量大小應(yīng)相同，同時(shí)由于旋翼1升力上升、旋翼3升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞Y軸向一側(cè)旋轉(zhuǎn)；而當(dāng)旋翼1轉(zhuǎn)速下降、旋翼3轉(zhuǎn)速上升時(shí)，機(jī)身則沿另一側(cè)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)飛行器不同方向的俯仰運(yùn)動(dòng)。在圖c中，改變旋翼2、4轉(zhuǎn)速，保持旋翼1、3不變，則可使機(jī)身繞X軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
　　偏航運(yùn)動(dòng)這種狀態(tài)可借助旋翼產(chǎn)生的扭矩實(shí)現(xiàn)，只要4個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速不完全相同，不平衡的扭矩就會(huì)引起飛行器方位角的變化。圖d中，旋翼1、3轉(zhuǎn)速上升、旋翼2、4轉(zhuǎn)速下降時(shí)，旋翼1、3對(duì)機(jī)身的扭矩大于另兩者的扭矩，機(jī)身便在不平衡扭矩的作用下繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)偏航運(yùn)動(dòng)。
　　前后和側(cè)向運(yùn)動(dòng)要使飛行器在水平面內(nèi)前后、左右運(yùn)動(dòng)，必須在水平面內(nèi)對(duì)飛行器施加一定的力。圖e中，增加旋翼3轉(zhuǎn)速，相應(yīng)減小旋翼1轉(zhuǎn)速，同時(shí)保持其他兩個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速不變，使扭矩保持平衡。按俯仰和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所述，飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，使旋翼升力產(chǎn)生水平分量，從而可實(shí)現(xiàn)飛行器的前后運(yùn)動(dòng)。圖f中，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，側(cè)向飛行的工作原理與前后運(yùn)動(dòng)完全相同，只是各旋翼轉(zhuǎn)速增減的情況不同。
　　
　　4種標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載
　　根據(jù)生產(chǎn)商的規(guī)劃，Draganfly四旋翼飛行器共可搭載4種標(biāo)準(zhǔn)偵察設(shè)備，如果用戶需要其他設(shè)備，也可按需定制，這些負(fù)載都安裝在特制的彈性防震掛架上，可有效提高設(shè)備成像的質(zhì)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前，Air To Air公司標(biāo)配的4種偵察負(fù)載是：
　　松下徠美DMC-FX580照相機(jī)
　　相機(jī)質(zhì)量約167g，含掛架質(zhì)量約238g，其具有5倍光學(xué)變焦、3倍數(shù)字變焦功能，像素1200萬，可采用大容量SD/SDHC/MMC存儲(chǔ)卡，根據(jù)存儲(chǔ)卡容量，還可以33幀/秒的速度錄制短時(shí)間720p高清視頻。拍攝照片后可利用機(jī)身上的天線實(shí)時(shí)傳輸回地面基站，但攝制的視頻無法傳輸。
　　
　　沃特克WAT-902H2黑白超低照度攝像機(jī)
　　該低照度攝像機(jī)自身質(zhì)量約166g，含掛架質(zhì)量約241g，其具有3倍光學(xué)變焦功能，有效分辨率為768×494像素，可在星光的微光條件（照度為0.0001Lux的環(huán)境下，相當(dāng)于繁星的光照）下拍攝清晰的黑白錄像（1Lux約等于1支普通蠟燭在1m距離的照度。目前在攝像機(jī)參數(shù)規(guī)格中常見的最低照度，是指該攝像機(jī)只需在所標(biāo)示的Lux數(shù)值下，就可獲取清晰的圖像，這個(gè)數(shù)值越小，說明攝像機(jī)的靈敏度越高），并可傳輸至地面基站。
　　FLIR Photon TAU紅外成像儀
　　該紅外成像儀自身質(zhì)量70g，含掛架質(zhì)量約238g，其采用Vox輻射熱測量計(jì)，對(duì)7.5～13.5μm輻射譜段成像效果較好，其有效分辨率為324×256像素，具有4倍數(shù)字變焦功能。
　　高分辨率480P攝像機(jī)
　　攝像機(jī)自身質(zhì)量約92g，其有效分辨率為768×494像素，可在0.19Lux的低照度下正常工作。此攝像機(jī)在拍到目標(biāo)圖像后，可通過機(jī)身上的天線實(shí)時(shí)傳輸回地面基站，再反饋至使用者所配戴的便攜式視頻眼鏡中，實(shí)現(xiàn)所拍即所得的效果。
　　以上4種負(fù)載僅是可供選擇的、側(cè)重于執(zhí)法及民用領(lǐng)域內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)配置，如果軍用的話，還可選配激光指示器、單兵雷達(dá)、紅外傳感器等專用設(shè)備，可遂行多種偵察、監(jiān)視任務(wù)等。
　　
　　未來可能的軍事應(yīng)用
　　目前，Draganfly四旋翼飛行器的用途仍多定位于執(zhí)法及民用領(lǐng)域，比如作為空中交通管制的監(jiān)控平臺(tái)，執(zhí)法部門用于快速和隱蔽的取證，或是在危險(xiǎn)惡劣環(huán)境，如核、生、化泄漏污染的環(huán)境中，進(jìn)行監(jiān)視和探測。
　　在軍用領(lǐng)域，Draganfly四旋翼飛行器同樣大有可為，比如它采用靜音馬達(dá)，使其運(yùn)行時(shí)噪聲較低，如僅憑聽覺在10m之外很難感覺到它的存在。這樣的靜音飛行能力，配合飛行器本身良好的飛行品質(zhì)，特別適用于街巷環(huán)境下的近距離作戰(zhàn)。比如，士兵們在可疑建筑物外，可利用Draganfly四旋翼飛行器在目標(biāo)上空盤旋提供實(shí)時(shí)情報(bào)支援，它隨機(jī)攜帶的攝像頭可實(shí)時(shí)傳輸影像，為士兵提供周邊的敵情信息，尤其是在偵察目標(biāo)死角處或屋頂上的情況時(shí)效果很好。使用時(shí)，士兵只要戴上無線視頻眼鏡，拿著手持式遙控裝置，就可通過地面基站看到飛行器上攝像機(jī)所拍攝的實(shí)時(shí)畫面，實(shí)現(xiàn)飛行器所拍即使用者所見的效果。夜間，Draganfly四旋翼飛行器則使用紅外觀察設(shè)備，可使士兵實(shí)時(shí)監(jiān)視飛行器所看到的紅外圖像。
　　當(dāng)然，Draganfly四旋翼飛行器目前要進(jìn)入軍用領(lǐng)域還面臨著一些問題，最突出的便是電池續(xù)航能力不足，在現(xiàn)有條件下，一塊電池僅能滿負(fù)載工作20～30分鐘，如果這一時(shí)間能夠延長，將能提供更長時(shí)間的可持續(xù)偵察能力。
　　其次，它的負(fù)載能力偏弱，負(fù)載功能也相對(duì)單一，在不同的使用環(huán)境中需要不斷地轉(zhuǎn)換負(fù)載設(shè)備，如能同時(shí)集成多光譜偵察設(shè)備，搭載具備可見光/紅外功能的監(jiān)視設(shè)備，將免去負(fù)載轉(zhuǎn)換的過程，可令其實(shí)用性進(jìn)一步提升。
　　另外，Draganfly四旋翼飛行器如果面向軍用，其馬達(dá)臂上的導(dǎo)航燈應(yīng)作調(diào)整，可將其前側(cè)兩馬達(dá)臂上的導(dǎo)航燈改為紅外閃光類型，后側(cè)兩處導(dǎo)航燈則完全取消，使用者只要配有紅外夜視器材同樣也能隨時(shí)掌握飛行器的運(yùn)行狀態(tài)。
　　
　　其他多旋翼系列飛行器
　　除Draganfly四旋翼飛行器外，Air To Air公司還研制了其他幾種類似的多旋翼飛行器，如六旋翼、八旋翼飛行器，它們的結(jié)構(gòu)和材料與四旋翼飛行器基本相同，只是馬達(dá)功率和旋翼位置、數(shù)量等有所區(qū)別，與前者相比，后兩者體積、負(fù)載等也相應(yīng)增大不少。