一文详解：四种主流无人机的工作原理与优劣
一文详解：四种主流无人机的工作原理与优劣
随着无人机技术的快速发展，各种类型的无人机在各个领域得到了广泛应用。从常见的多旋翼无人机到固定翼无人机，再到结合了两者优势的垂直起降固定翼无人机，以及具有强大载荷能力的无人直升机，这些无人机在航拍、测绘、巡检、救援等领域展现出了巨大的潜力。本文将详细介绍这几种常见无人机的机型及其工作原理。
多旋翼无人机
旋翼无人机是指由螺旋桨产生向上的升力，带动无人机整体进行飞行的无人机。旋翼无人机又可以分为多旋翼无人机、直升机、自转旋翼机等。较常见的为多旋翼无人机，具有三个及以上的旋翼轴，常见有四轴、六轴、八轴。多旋翼机械结构非常简单，动力系统只需要电机直接连桨就行。优点是可折叠、垂直起降、可悬停、对场地要求低。缺点是续航时间较短，载荷小。
旋翼无人机为大家所熟知，深受广大消费者的喜爱，我们现在经常可以看到在公园里或者海边（非禁飞区）看到大量的航拍摄影爱好者手持遥控器进行无人机摄影作业。该类型机型一般续航时间为20-40min左右。
基本结构
多旋翼无人机是民用无人机中，最常见的一种。基本结构一般由机架、动力装置和飞控等组成。
机架的介绍：机架是多旋翼无人机的机身，也是其他结构的安装基础，起到承载作用。
根据旋翼轴数的不同，可分为三轴、四轴等。根据发动机个数分有三旋翼、四旋翼等。轴数和旋翼数一般情况下是相等的，但也有特殊情况，比如三轴六旋翼。
机架材质：
（1）塑料：价格比较低廉，比较适合初学者。
（2）玻璃纤维：相比塑料机架，玻纤强度高、重量轻、价格贵，中心板多用玻纤，机臂多用管型。
（3）碳纤维：相比玻纤机架，强度更高、价格更贵。
（4）铝合金/钢：适合自己制作。
机架布局：常见的机架布局有X型、I型、V型、Y型和IY型等。
动力结构及飞控
无人机的动力装置一般主要包含以下内容：
电池，主要为无人机提供能量，无人机多采用锂聚合物电池。
电调（Electronic Speed Controller，ESC），全称电子调速器。它的主要功能是将飞控板的控制信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通和可靠关断的驱动信号，以控制电动机的转速；将电源电压转换为5V，为飞控板、遥控接收机供电；将直流电源转换为三相电源，为无刷电机供电。
电机，带动桨叶旋转使多旋翼无人机产生升力，通过对各电机转速的控制，可使多旋翼无人机完成飞行活动。
螺旋桨，也叫旋翼，旋转产生拉力或推力使无人机完成飞行活动。
飞控主要是用来稳定无人机飞行姿态，并控制无人机自主或半自主飞行
固定翼无人机
固定翼，顾名思义，就是机翼固定不变，靠流过机翼的风提供升力。固定翼无人机起飞的时候需要长跑道进行起飞助跑，降落的时候必须要跑道进行滑行减速，固定翼无人机续航时间长、飞行效率高、载荷大。此类无人机采用滑跑或弹射起飞，伞降或滑跑着陆，对场地有一定要求。巡航距离、载重等指标明显高于多旋翼无人机。
固定翼无人机总体而言续航时间长，载重量大，操作难度大，飞行平台要求高，适合远距离连续工作。现在常用于无人侦察机、民用的电力巡线、测绘、中远距离紧急运输等。
可以实现手动遥控飞行和预设程序飞行，抗风能力强，类型多，其发展趋势是微型化和长航时。微型化的固定翼无人机可携带背包，电力驱动的情况下一次起降的航时约为40~120min；长航时的固定翼无人机体积较大，以燃油动力为主，续航时间可达到10h以上，能同时搭载多种遥感传感器。固定翼无人机的起降需要比较空旷的场地，适合森林和草场的监测、矿山资源监测、海洋环境监测、城乡土地利用监测以及水利、电力等领域的应用。优点：续航时间长，速度快。缺点：需要跑道，不能垂直起降。
固定翼无人机的组成部分
一般的固定翼无人机系统由五个主要部分组成：机体结构、航电系统、动力系统、起降系统和地面控制站。
机体结构由可拆卸的模块化机体组成，既方便携带，又可以在短时间内完成组装、起飞。
航电系统由飞控电脑、感应器、酬载、无线通讯、空电电池组成，完成飞机控制系统的需要。
动力系统由动力电池、螺旋桨、无刷马达组成，提供飞机飞行所需的动力。
起降系统由弹射绳、弹射架、降落伞组成，帮助飞机完成弹射起飞和伞降着陆。
地面控制站包括地面站电脑、手柄、电台等通讯设备，用以辅助完成路线规划任务和飞行过程的监控。
垂直起降固定翼无人机
垂直起降固定翼无人机是结合了固定翼无人机和垂直起降技术的无人机，它具有垂直起降的能力，同时采用固定翼设计以提高飞行效率和稳定性。这种无人机可以在狭小空间内垂直起降，无需长距离的滑行跑道，具有垂直起降能力。固定翼设计则提供了更长的续航能力和更高的飞行速度，使得无人机能够长时间飞行并覆盖大范围的区域
飞行原理与系统组成
垂起固定翼无人机的飞行原理与传统的固定翼飞机类似，但增加了垂直起降的能力。其主要系统包括：
飞行控制系统：负责无人机的稳定飞行和导航。
动力系统：为无人机提供足够的推力。
任务载荷系统：用于安装各种侦察、通信等设备。
地面控制系统：用于无人机的远程控制和监视。
垂起固定翼无人机优点
起飞和降落灵活：垂起固定翼无人机可以在狭小的地方进行起飞和降落，受地点影响较小，适用范围更广。
飞行效率高：固定翼无人机采用翼型和前进运动的优势，具有较高的速度和航程，能够长时间飞行并覆盖大范围的区域。
长航时：固定翼无人机往往配备较大的电池和油箱，使得其能够长时间在空中飞行，适用于一些长时间监测或搜索救援等需求。
载荷能力强：固定翼无人机能够搭载更多的载荷，在远程侦察、搜救、巡线、地图制作等方面表现良好。
动力系统与推进方式
垂起固定翼无人机的动力系统通常采用涡轮轴发动机或电动机，通过改变推进方式实现垂直起降。电动机更为静音且适合短距离起降，而涡轮轴发动机则适用于更长距离和更高负载的任务。
导航与控制技术
导航和控制技术是确保无人机准确、安全飞行的关键。现代的垂起固定翼无人机通常采用GPS和惯性导航系统结合的方式进行导航，同时利用自动控制系统和远程人工控制系统来实现飞行控制。
通信与数据传输
垂起固定翼无人机通常采用无线通信技术进行数据传输和控制指令的传递。数据链路必须具备高速、稳定和抗干扰能力强的特点，以确保无人机能够实时地接收和发送信息。
无人直升机
无人直升机作为一种创新型的航空工具，逐渐走进人们的视野。其外形与传统直升机相似，具备原地垂直起飞和悬停的能力，但相较于固定翼无人机和多旋翼小型无人机，无人直升机在灵活性和载荷承载能力方面更具优势。
无人直升机在应急救援中发挥着重要的作用。在自然灾害和人为事故发生时，无人直升机能够快速到达事发现场，通过高清摄像和热成像技术搜索和救援被困者。其搭载的医疗设备和物资也能够提供紧急的救援支援。无人直升机在减少人员伤亡、提高救援效率和扩大救援范围等方面具有巨大潜力。
无人直升机的结构组成
- 主旋翼系统
由自动倾斜器、桨叶和桨毂组成。自动倾斜器又称斜盘，用来改变旋翼桨叶的桨距，主要由变距拉杆、旋转环、不旋转环组成。
- 尾桨系统
大多数单主旋翼直升机需要一个单独的尾桨系统来克服主旋翼旋转产生的扭矩。尾桨的结构形式有多种，如跷跷板式、万向接头式、铰接式、无轴承式、“涵道尾桨”式、无尾桨等。
- 起落架
主要作用是吸收在着陆时由于有垂直速度而带来的能量，减少着陆时撞击引起的过载，以及保证在整个使用过程中不发生“地面共振”。最常见的起落架是滑橇式的，适合在不同类型的表面上起降。
- 机身
与固定翼无人机机身结构和功能类似，主要功能是装载燃料、货物和设备等，同时作为无人直升机安装基础将各部分连成一个整体。机身是直接承受和产生空气动力的部件，还具有承载和传力的作用，承受各种装载的载荷和各类动载荷。
- 动力装置
主要使用安装在机身上的往复式发动机，可以采用垂直安装或者水平安装方式，通过传动装置将动力传递到垂直的主旋翼和尾翼的传动轴上。典型情况下，发动机通过一个主传动机构和皮带或者一个离心式离合器来驱动主旋翼。无人直升机也可以采用无刷电机作为动力装置，这种结构简单、维护方便，适用于大多数的小型无人直升机。
这些组成部分共同协作，使得无人直升机能够实现垂直起降、空中悬停以及执行各种任务。
无人直升机的优点
- 载荷能力强
相比其他类型的无人机，无人直升机具有更强的载荷能力，可以携带更多的货物和设备。
- 适应性强
无人直升机可以在人类难以到达的恶劣环境中飞行，例如高海拔、高温、低温、强风等环境。同时，也可以在需要长时间稳定悬停的场景中发挥大作用。
- 提升效率
与传统的人工直升机相比，无人直升机具有更高的飞行速度和效率，减少了人力成本和时间成本，提高了工作效率。
无人直升机的用途
- 搜索救援
无人直升机可以在失踪人员的搜索、灾难救援和海上救援中发挥重要作用，提高了搜救的效率和成功率。
- 电力巡检
无人直升机可以巡检电力线路、光伏发电站和风力发电站，提高了检测效率和准确性，降低了巡检成本和安全风险。
- 物流运输
无人直升机可以用于城市物流、野外物流和紧急救援物资运输等，提高了物流效率和时效性。
- 地质勘探
无人直升机可以用于地质勘探、植被遥感和数字制图等方面，可以有效提高勘探效率和精度，同时减少勘探周期和成本。