四軸飛行器
四旋翼飛行器（quadrotor aircraft），又稱四軸直升機（quadcopter）或簡稱四轉子（quad），是用大小相同、兩側對稱分布的四個旋翼產生升力的多軸飛行器，屬於直升機的一種。和固定翼飛機不同，四旋翼機可以僅僅通過調整不同旋翼之間的相對轉速來調節不同位置的推力，來進行垂直起降、懸停、倒飛、側飛、轉向、翻滾等各種飛行動作。四旋翼飛行器是民用無人航空載具市場上最常見的設計形態，因此一定程度上成為了大眾意義上「無人飛機」（drone）一詞的代表。
標準設計的四個旋翼通常每個都與相鄰的另兩個的轉動方向相反、與對角的轉向卻相同，這樣就可以中和四個旋翼之間相互產生的反扭矩。這和常見的只有一個主旋翼的單旋翼直升機不同，因為單旋翼直升機必須依賴垂直的尾部螺旋槳（尾槳）才能抵消主旋翼產生的反扭矩防止飛機發生偏航運動。和單旋翼直升機相比，四旋翼有許多優點：它的旋翼角度固定，結構簡單[1]，每個旋翼的葉片比較短，葉片末端的線速度慢，發生碰撞時衝擊力小，不容易損壞，對人也更安全。有些小型四軸飛行器的旋翼有外框，可避免碰撞[2]。
歷史
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在早期旋翼航空器的設計中，四軸飛行器是解決反扭矩問題的優先選項之一，因為單旋翼直升機主副旋翼的設計雖然也可以解決扭矩問題，但機尾的垂直旋槳不提供升力而且在設計結構上也比使用多旋翼要複雜很多，而且一旦尾槳發生故障就會讓機體徹底失控自旋。這使得四軸飛行器反倒成為最早實現重於空氣飛行的飛行器，在1908年就由法國工程師路易·布勒蓋首次進行了垂直起降[3]。但因為多旋槳設計意味著需要配備多個引擎，對動力供應的需求更高，旋槳間的扭矩變化協調在沒有計算機和自動化電控的年代也是很大的挑戰，所以早期四旋翼型號的飛行和續航性能都很差，也很難操控和大型化[4]，尤其是油門的控制難以做到精確迅速。此外加上單旋翼構型在巡航時的推重比和能量轉換效率要遠優於當時的四軸飛行器，故此在單軸直升機的反扭矩技術問題得以解決後，四軸飛行器迅速從應用航空器領域銷聲匿跡了，在這個20世紀都只作為軍方試驗機出現過幾個型號。
在21世紀早期，隨著小型電動機、蓄電池、電機控制器和無線通訊技術的進步，四軸飛行器因其機動飛行的性能潛力在遙控飛機領域獲得了新生，成為許多航模發燒友進行障礙挑戰和航拍的首選。以電機驅動的四軸飛行器體積小、重量輕、攜帶方便、滯空形態靈活，能輕易進入人體和載人飛行器不易進出的各種惡劣環境，除了可以用來執行鳥瞰取景，也可以進行實時監控、地形勘探等飛行任務[5][6]。特別是隨著智慧型手機、運動相機、陀螺儀、電傳飛控系統、自主避障和衛星導航等技術的發展，加上無刷直流電機、鋰電池以及更加輕便堅韌的聚合物材料在民用市場的普及克服了四軸飛行器在動力和推重比方面的主要短板，以大疆等科技公司為代表的四軸無人機產業迅速崛起，廣泛應用於影視業、自媒體、農業噴藥、治安監控、消防、貨物運輸以及軍事領域（例如偵察、校正炮擊、簡易航彈轟炸甚至進行自殺式攻擊）[7][8]。
流行文化
[編輯]在2009年寶萊塢電影《三個傻瓜》中，就有描述當時剛開始萌芽的多軸飛行器，其中男主角從垃圾桶撿回來後拍到學生慘劇的那幕，便是四軸飛行器的一種。
相關條目
[編輯]參考資料
[編輯]- ^ Pounds, P.; Mahony, R., Corke, P. Modelling and Control of a Quad-Rotor Robot (PDF). In the Proceedings of the Australasian Conference on Robotics and Automation. Auckland, New Zealand. December 2006 [2013-05-16]. （原始內容存檔 (PDF)於2013-05-12）.
- ^ Hoffman, G.; Huang, H., Waslander, S.L., Tomlin, C.J. Quadrotor Helicopter Flight Dynamics and Control: Theory and Experiment (PDF). In the Conference of the American Institute of Aeronautics and Astronautics. Hilton Head, South Carolina. 20–23 August 2007 [2013年5月16日]. （原始內容 (PDF)存檔於2010年8月13日）.
- ^ Leishman, J.G. Principles of Helicopter Aerodynamics. New York, NY: Cambridge University Press. 2000.
- ^ Anderson, S.B. Historical Overview of V/STOL Aircraft Technology (PDF). NASA Technical Memorandum 81280. March [2013-05-16]. （原始內容存檔 (PDF)於2011-06-05）.
- ^ Arduino-based quadcopter. [2013-05-16]. （原始內容存檔於2011-12-11）.
- ^ UAVP-NG based quadcopter. [2013-05-16]. （原始內容存檔於2013-05-15）.
- ^ Hoffmann, G.M.; Rajnarayan, D.G., Waslander, S.L., Dostal, D., Jang, J.S., and Tomlin, C.J. The Stanford Testbed of Autonomous Rotorcraft for Multi Agent Control (STARMAC) (PDF). In the Proceedings of the 23rd Digital Avionics System Conference. Salt Lake City, UT: 12.E.4/1–10. November 2004 [2013-05-16]. （原始內容 (PDF)存檔於2007-06-26）.
- ^ Büchi, Roland. Fascination Quadrocopter. ISBN 978-3-8423-6731-9. 2011.