我发现国内目前正儿八经研究机器人、无人机并且还能活跃地上网关注前沿动向、热爱写科普文章的研究人员真心不多。因此所有回答里没有人真正说明白无人机是什么,而理解无人机是什么是回答这个问题的先决条件。

什么是无人机

  首先,无人机就是不载人的飞行器,而说到飞行器,通常我们把飞行器分为三类。

  1、固定翼(fixed wing)。平时坐的波音747空客A380,还有F-16歼-15之类的都是固定翼飞机。顾名思义就是翅膀形状固定,靠流过机翼的风提供升力。动力系统包括桨和助推发动机。固定翼根据机翼尺寸的不同还有很多小的分类,在此不细说。固定翼飞行器的优点是在三类飞行器里续航时间最长、飞行效率最高、载荷最大,缺点是起飞的时候必须要助跑,降落的时候必须要滑行。

  2、直升机(helicopter)。特点是靠一个或者两个主旋翼提供升力。如果只有一个主旋翼的话,还必须要有一个小的尾翼抵消主旋翼产生的自旋力。为了能往前后左右飞,主旋翼有极其复杂的机械结构,通过控制旋翼桨面的变化来调整升力的方向。动力系统包括发动机、整套复杂的桨调节系统、桨。直升机的优点是可以垂直起降,续航时间比较中庸,载荷也比较中庸。缺点是极其复杂的机械结构导致了比较高的维护成本。

  3、多旋翼(multi-rotor)。四个或者更多个旋翼的直升机,也能垂直起降,但是通常只有直升机叫直升机,多旋翼就叫多旋翼,而不叫多旋翼直升机。四旋翼特别叫做quadrotor。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。下图是直升机的动力系统结构,再下图是多旋翼的动力系统结构。不懂机械的人也能看出多旋翼简单得多。多旋翼的优点是机械简单,能垂直起降,缺点是续航时间最短,载荷也最小。

  图:旋翼机

  上文谈到了三种飞行器外形和续航时间的不同点,这里要再说一些更理论的不同之处。

  首先,固定翼是自稳定系统,简单说就是固定翼飞上天、助推发动机稳定工作之后,不需要怎么控制,固定翼就能自己抵抗气流的干扰保持稳定。此外对于飞行器姿态控制来说,固定翼是完整驱动系统,意思是它在任何姿态下可以调整到任何姿态,并且保持住这个姿态(当然失速的时候不可以,但是失速是特殊情况,我们也可以忽略……)。

  其次,直升机是不稳定系统,飞上天之后如果不施加控制,一阵风吹来就翻了。不过还好的是,直升机也是完整驱动系统,可以自由调整姿态。这是因为直升机的桨面不但可以产生相对机身向上的推力,也可以产生相对机身向下的推力。而且直升机没有失速的问题,什么时候都能调整姿态,可以在天上如散步一般自由运动。所以直升机虽然不稳定、很难控制好,但是姿态翻了的时候完全可以控制回到正常的姿态。

  最后,看官们可能猜到了,多旋翼是不稳定系统,也不是完整驱动系统(或者叫欠驱动系统)。它的桨只能产生相对机身向上的升力。所以它不稳定、很难控制好,飞行器翻过来之后基本没办法控制回来,就坠机了。

  因为上述飞行器作为系统有稳定不稳定、驱动完整不完整的区别,所以固定翼和直升机让人控制难度相对不高;多旋翼让人来控制难度相对高,最好有自动控制器来控制飞行器的姿态。对于自动控制器,固定翼的自动控制器比较好做,直升机和多旋翼的自动控制器比较难做。让事情更加难办的是,飞行器自动控制器通常需要惯性导航系统获取自身的姿态,而在20世纪90年代之前,惯性导航系统一般是十几公斤的大铁疙瘩。为了把这么重的东西放到一个多旋翼飞行器上,飞行器的载荷必须很大,可是人们发现,不管是用油机还是电机做多旋翼飞行器的动力系统,都很难得到足够的载荷。同时,因为固定翼和直升机已经很够实际使用了,所以没有人愿意多花功夫去研究多旋翼飞行器这个棘手的问题。很长一段时间里,只有美国一些研发性的项目做出了多旋翼飞行器的样机。