本文节选于“王培，李杨，崔根，全权等.多旋翼无人机：新设计、新应用及新发展[J].《人工智能》，2021年8月，第4期”

　　多旋翼无人机经历十年的高速发展，已经从单一场景应用向广域场景蔓延，从单机飞行到多机协同再到集群控制。伴随着技术的突飞猛进，无人机在结构上不断迭代创新，在载荷上持续推陈出新，以适应行业发展的需求。本文首先介绍了多旋翼无人机最新发展的设计结构，然后罗列了多旋翼无人机在各行业的应用场景，最后描述了多旋翼无人机的发展趋势。

　　自多旋翼飞行器的诞生至今已有百年之久，但科研人员在多旋翼飞行器上的探索却没有停止。近年以来，在技术、材料和制造等方面的极速发展态势下，多旋翼无人机在民用领域和军用领域应用逐渐广泛，备受青睐。为适应行业发展的新需求，多旋翼无人机的结构设计也发生的诸多变化，不再是简单地增加旋翼数量和扩大轴距，比如加装笼式装置既保护了无人机的旋翼又避免旋翼割伤损坏周围的人员和物品；通过改装使机体结构模块化，方便更换任务载荷以适应多场景；设计专用消防无人机来弥补传统消防器材的不足……总之，科技发展的促进和行业应用的倒逼将会促使无人机技术迈向更高的台阶。

　　多旋翼无人机的形态设计已经多种多样，但新的结构形式仍在不断涌现。多旋翼无人机的新设计主要体现在无人机本身结构的设计，比如可折迭多旋翼无人机、全向多旋翼无人机等，也体现在无人机外部加装结构的设计，比如带机械臂多旋翼，还有多旋翼与固定翼的复合形态设计，比如垂直起降固定翼无人机、尾座式多旋翼无人机、升力翼多旋翼无人机，同样还有异构设计，比如双旋翼无人机、多栖多旋翼无人机。

　　为解决多旋翼无人机带来的安全性问题，设计者研发了笼式多旋翼，将多旋翼放置于一个笼式结构中，即使无人机在飞行过程中发生失误，由于有保护笼装置，可以有效降低人身伤害或螺旋桨损坏的风险。这种设计适用于检测发电厂的锅炉、大型压力容器、货仓液罐等密封、危险、无照明的空间。图1为瑞士Elios可碰撞无人机[1]。

　　瑞士的苏黎世大学和研究组EPFL合作开发的自适应折迭无人机[2]，遇到不同形状的空间或者洞口，可以改变旋翼臂与机身的角度来改变无人机的形状，以进入目的地。该型采用四个微处理器单独控制四个螺旋桨，可以实时适应臂的任何新位置，随着重心的移动调整螺旋桨的推力，始终保证稳定的飞行，如图2所示。

　　苏黎世联邦理工学院研发的全向多旋翼无人机原型采用了12个旋翼[3]，而且每个都安装在可以360度旋转的机械臂上，保证这款无人机能够在空中随时调整飞行方向，实现全向飞行，如图3所示。全向无人机在实际场景较为广泛，由于它可以穿梭于一些比较窄小的缝隙中，在实际中常用于基础设施检查工作。

　　带机械臂多旋翼无人机是在无人机上加装可执行一定的动作、完成相应工作的无人机，这种无人机主要利用了多旋翼无人机动作灵活、飞行稳定和体型较小等优点，主要应用于高空高危等场所，以代替人工执行任务，也可以应用于人员不便工作的场所，减少人力投资，提高工作效率。美国SkyMul公司的SkyTy无人机[4]配有可移动的机械爪，可自动捆扎交叉的钢筋。技术人员还可使用半自动的界面来验证所放置钢筋的网格间距和安放精度，如图4所示。

　　复合式多旋翼无人机又称垂直起降固定翼无人机，这种无人机是在固定翼两侧机翼的前后方各安装一个螺旋桨（通常为4个），为无人机提供垂直起降所需升力，在机尾（图5）或机头（图6）部位安装推力或拉力螺旋桨，提供平飞巡航阶段的动力。在起飞阶段，两侧机翼的螺旋桨提供升力，使无人机垂直起飞；在平飞巡航阶段，推力或拉力螺旋桨启动，为无人机提供前飞动力，机翼两侧的螺旋桨将停转并固定在最小阻力位置，降低平飞阶段的阻力。复合式多旋翼无人机兼顾了多旋翼无人机的垂直起降性能与固定翼飞行器的平飞高效特性，降低了无人机对起降场地的要求，解决了多旋翼无人机续航时间不足的问题。

　　尾座式多旋翼无人机是多旋翼与固定翼无人机的组合。 尾座式多旋翼无人机起飞时机头朝上，机身四周的多旋翼为无人机提供升力，待无人机起飞到预定高度，无人机改为机头向前平飞，此时多旋翼为无人机提供前飞动力。尾座式多旋翼无人机在起飞和巡航飞行时均使用同一套动力系统，没有多余的死重，为无人机预留较多的有效载荷，同时在起飞时旋翼气流也不会与机翼相互干扰；其缺点也比较明显，在起飞和降落时，底部气流紊乱，副翼作用不明显，受侧向风影响较大，容易倾倒。

　　X-Hawk尾座式多旋翼无人机[7]（图7）具备在狭小范围内垂直起降，长距离、长航时、全天候、复杂地形自主飞行等特点。

　　升力翼多旋翼无人机（图8）是一种翼身融合体与多旋翼的组合构型，旋翼桨盘平面与升力翼呈固定安装角度，在保留多旋翼原本简洁可靠的结构以及抗风稳定性的同时大幅度提高了前飞效率，它可以从悬停状态平滑地过渡到高效前飞状态，以此来达到最大的升力需求和动力最优配置。在前飞过程中，多旋翼可提供无人机的前飞动力和小部分升力，无人机的主要升力由机翼提供[8] ，如图9。

　　双旋翼无人机是在多旋翼的基础上发展而来的，采用旋翼倾转控制技术，可实现多种飞行动作，其结构简单、体积较小，续航时间长。由于采用倾转控制技术，其动力电机可在一定角度范围内旋转，传动结构较为复杂。Falcon矢量动力双旋翼无人机[9]采用全新的V型双旋翼动力系统（图10），可显着提高其续航能力和无人机的灵活性。

　　多栖多旋翼无人机是多旋翼无人机深度发展的产物，它是无人机与车辆的融合，能够在空中飞行，也能像车辆一样在地面行走，或者在水中航行。

　　Mini可变形机器人[10]（图11），它是无人机和陆地车辆组合，该系统具有先进的自主功能，支持在空中和地面模式下完全独立的操作。该款无人机用途包括营救、快速响应，石油和天然气，公共交通，执法公共安全等方面。

　　无人机从诞生至今将近百年，在材料、电池、飞控等诸多方面有了巨大的突破和革新，并逐渐在社会各领域发挥着越来越重要的作用。多旋翼无人机按用途可分为民用多旋翼无人机和军用多旋翼无人机，民用多旋翼无人机按行业可划分为消费级无人机和工业级人机。消费级无人机主要用于航拍、竞技娱乐等方面，工业级无人机应用的领域较为广泛，主要涉及农林、电力、测绘、安防、物流等行业，无人机甚至已成为一些行业的主力军。

　　消费级多旋翼无人机主要是指用于近距离拍摄、竞速等娱乐的无人机，具有体积小、重量轻、成本低和易操作等特点。

　　传统航拍作业主要使用有人机，空域申请、飞机维护保养、起降场地的协调都会消耗大量的人力财力。多旋翼无人机的出现打破了这一瓶颈，易操作、免维护、价格低等优点让多旋翼无人机受到了航拍业内外人的青睐。大疆创新无人机公司的御Mini是一款入门级的航拍无人机（图12），它折迭后可随身携带。御Mini可以拍摄1200万像素照片和2.7K视频，四级风力下可稳定拍摄，同时具备4公里的高清图传和30分钟续航[11]。

　　穿越多旋翼无人机体积小，能在障碍物之间自由穿梭；同时其轻巧快速，部分高性能穿越机的极速甚至可达200km/h以上，穿越机能做出多种特技飞行动作，例如垂直爬升和俯冲、翻滚和水平旋转等，经常被用来竞速（图13[11]）。

　　Robotics开发[12]，自动机场安装在天花板供无人机待命和充电。该无人机利用光学和热成像摄像头，可以360度连续扫描周围的环境（图15）。

　　多旋翼无人机的各种优点被各个领域捕捉到后，通过对无人机的改装或更换任务载荷，来满足各自领域的需求，这类无人机主要用于解决行业痛点，间接或直接参与行业的主要工作，因此这类无人机称为工业级无人机。

　　植保多旋翼无人机是用于农林植物保护作业的无人机，主要是通过地面遥控或程序控制，来实现喷洒药剂作业。无人机植保作业与传统植保作业相比，具有精准作业、高效环保、智能化、操作简单等特点，为农户节省大型机械投入和人力成本。大疆T20植保无人机通过优化算法与配置可在大田、山地、果园等多种作业场景下实现全自主作业（图16）[11]。

　　传统的林业病虫害监测与防治主要依靠人工作业，难以实现监测与防治的及时性和有效覆盖。在此背景下，无人机技术应用于林业病虫害监测与防治，有效提升了有害生物的监测和防治水平。

　　传统投喂龙虾的主要方式是人工行走在虾田中或者划船进入虾田中喂料，这样的投喂方式劳动强度大、播撒不均匀。使用无人机进行播撒投喂，可快速提高投喂效率，大大减少了成本消耗和对秧苗的踩踏。

　　冬季来临时，牧民需要将在山岭高坡上的羊群赶到海拔较低的草场过冬。由于牧场的面积较大，野外牧场大多为陡峭山脉，牧民们需要携带牧羊犬乘坐直升机在山顶空降，再从山上徒步将羊群赶下山来。无人机可以快速找到羊群的位置，为牧民节约了大量时间。无人机除了驱赶羊群，其携带的摄像头和传感器，可以统计羊群数量以及羊群的健康状况，方便牧民获知羊群的情况。

　　无人机技术的快速发展使无人机具备航线自主规划、精准定位、自主飞行控制、长续航等能力，这些优势使无人机在电力巡检中具备巨大的应用潜力。无人机巡线可以大幅减少人力巡线成本，缩短巡线时间，提高巡线无人机进行电力巡检

　　多旋翼无人机运输主要优势有：一是空中运输距离短；二是效率高；三是节省人力和时间成本。同时仍有不足，首先是初期投资成本高；其次是技术还不够成熟；最后是安全问题。美团走在无人机物流行业的前列，美团无人机配货设备（图18）优化设计，合理配置，达到了提高无人配送安全性，延长无人机的整体寿命，降低货物配送的成本的目的[13]。

　　据2020年统计，国际上超过250家eVTOL公司，垂直飞行协会[14]（Vertical Flight Society，VFS）在线发布的世界电动垂直起降（eVTOL）飞行器目录[15]也显示当前全球范围内处于开发中的eVTOL项目已超过200项（表1）。

　　基于载人级自动驾驶飞行器，亿航智能发布了专门应用于高层建筑消防灭火的亿航216（消防版）[16]（图19）。

　　传统的人工巡检不能及时准确发现桥梁边坡的病害，操作量大，且危险系数高。利用无人机进行高速巡检，可实时监控高速上的各种情况，减少人工投入，降低巡检风险。

　　无人机搭载Sniffer4D灵嗅V2多气体监测系统（图20）形成更灵活、更便捷的无人机气体监测方案，满足多场景下的应用需求[17]。

　　无人机具有成本低、零损耗、零伤亡、高机动、起降方式多样、可重复使用等诸多优势。正是这些优势使得无人机在近些年的局部战争中频频现身，与此同时世界上许多国家已经将无人机应用于侦察、监视、通信中继、电子对抗、制导、战果评估、对地（海）攻击等方面。

　　UAVTEK无人机公司与BAE系统公司合作，向英国陆军交付了30架Bug微型无人机原型机（图21），用于实地评估。这种无人机重196克，设计可在高达80公里/小时的风速下飞行。Bug微型无人机续航能力为2公里，续航时间为40分钟。它可以达到80公里/小时（22米/秒）的速度，能够将图像传回传多个设备[18]。

　　Songar武装多旋翼无人机（图22）由土耳其电子公司Asisguard制造，可携带200发子弹，能够进行单发或连发射击。Songar能在200米之外击中15厘米范围内的区域。无人机操作员可以在10公里的范围内控制无人机，一台地面站可以同时控制三架Songar无人机[19]。

　　近年来，无人机技术方兴未艾，无人机市场也随之兴起，其应用场景也在逐渐丰富，而无人机给人类社会造成的潜在风险和威胁也在扩展。无论是在军事领域还是民用领域，受无人机威胁的困扰都将成为一种严峻挑战。因此，反无人机技术伴随着无人机技术也在快速发展。

　　反无人机技术通常分为无人机探测技术和无人机反制技术两部分。探测类技术是综合利用各种传感器来发现目标，利用目标无人机的物理属性（如光学特性、热学特性、声学特性）的不同，通过上述某些特性的测量来找到目标无人机并进行识别。主要使用包括雷达、光电/红外、无线电侦察和干扰等装备。

　　雷达、光电/红外、无线电侦察和干扰等无人机反制装备能够执行无人机探测、跟踪、监视、测向、干扰反制等类型的任务。但由于其各自的技术特点，使得这些目前主要的无人机反制技术在反制中还存在着优缺点，如表2所示：

　　无人机反制技术主要有软杀伤和硬杀伤两大类。软杀伤主要通过数据通信干扰、卫星导航系统干扰、接管控制系统等手段，使目标无人机的电子元件失去作用，致使其无法执行任务，达到削弱战斗能力的目的。硬杀伤主要运用导弹、高炮（高射机枪）、高能激光、高功率微波等手段，直接摧毁目标无人机。

　　导航诱骗一般是指采用一定的技术手段向非法无人机注入人为设定的错误导航信息，使得无人机自身的卫星导航系统错误地判断自身位置，并由此错误进行航路规划和飞行控制，从而起到驱离或定点迫降无人机的目的。

　　导航干扰一般是以大功率干扰机发射不同类型的压制信号，使得目标接收机无法接收到正常的导航信号，用户无法获取导航、定位和授时结果，从而导致导航系统的失效，迫使无人机自行降落或返航。

　　拒绝服务。无人机地空信息通信经常会用到以Wi-Fi等无线局域网技术为底层的通信，在网络层也会使用到TCP/UDP协议等常见协议。攻击者可针对网络层固有的缺陷发起泛洪式拒绝服务攻击，阻断无人机正常通信，或导致飞行控制系统瘫痪。

　　传统防空武器是利用导弹、高射炮、高射机枪直接将无人机摧毁，这种方式反应迅速，杀伤直接。防空导弹的造价一般是小型无人机的数十倍甚至数百倍，在反制大型无人机时，导弹防空才会有较高的效费比。无人机相对有人机飞行高度低、速度慢、体积小，不易被雷达探测，由于无人机RCS（雷达反射截面积）较小，预留给防空武器的预警时间短，需要其他反制方式协同防空才能达到防空效果。同时，在反制无人机蜂群时，传统防空武器会显得捉襟见肘。

　　高能激光武器采用高功率的激光束长期照射灼烧无人机目标，烧毁无人机上重要的结构部件，进而迫使无人机迫降和坠毁。

　　美国海军陆战队轻型防空综合系统(LMADIS)，由两辆北极星全地形车，一个指挥中心和一辆传感器车辆组成（图23），利用射频技术干扰无人机飞行[21]。

　　洛克希德马丁公司的先进测试高能激光设备（ATHENA，俗称雅典娜系统），（图25）是一种地面机动式光纤激光武器，目前主要作为未来技术的试验平台来使用，该设备在获得无人机航迹后通过指挥控制系统引导操作人员控制激光武器完成转向、获取、跟踪并击落无人机[23]。

　　安全性正从硬件可靠性发展到软硬件适航性。目前要发展的载人飞行和城市中的货运无人机是当前强劲需求。多旋翼属于小型的复杂系统，应该从系统工程的角度设计保障飞行的安全。《系统工程2020年愿景》中，给出了“基于模型的系统工程(Model-Based Systems Engineering ,MBSE)”的定义：基于模型的系统工程是对系统工程活动中建模方法应用的正式认同，以使建模方法支持系统要求、设计、分析、验证和确认等活动，这些活动从概念性设计阶段开始，持续贯穿到设计开发以及后来的所有的寿命周期阶段。拟在利用先进的系统建模语言代替自然语言，从而消除不确定性、歧义性和不可计算性等。随着未来多旋翼无人机数量的增加，安全系数标准或适航标准必然成为一个准入门槛。

　　自主性集中体现在从程序控制发展到以视觉感知为主的自主智能控制。近年来，多旋翼无人机的视觉系统伴随着深度学习理论及机载计算芯片得到了极大的发展，主要从事识别、跟踪、环境地图感知、位置获取等等，极大地提高了无人机的自主能力。通过智能自主感知，使得多旋翼无人机可以在无卫星导航环境下跟踪物体以及躲避障碍物，提升安全性。如何界定多旋翼的自主性，目前没有统一的描述。这里给出了以下5个自主等级划分，如表3所示。

　　集群性集中在多人控制单机发展到单人控制多机。集群性是一种化整为零的问题解决思路，它极大提高了任务解决的可靠性和设备的维护性。集群无人系统可扩展性较强，根据任务的难易程度可以通过增减无人机数量来适配集群。此外集群性是另外一个维度降低操作人员负担，与此同时可以更高效完成给定的任务。少量操作人员可以控制无人机的数量是目前的几倍甚至数十倍。对于分布式自主集群来说，如何使得一群无人机像蚂蚁和蜜蜂一样协同工作，依然是目前科研人员研究的方向，这也必然成为未来的趋势。

　　有序性体现在个体无序飞行到有序飞行的交通管控。大量无序飞行的低空无人机会对地面设施、公共安全、空中载人飞行器等带来危害。交通管控是通过对整个低空的无人机运行安全和风险进行评估，同时对低空的无人机进行有效的规划，保证它们合理有序的飞行，从而促进无人机行业的健康发展。然而，民航空中交通管理不能适应未来数以百万架的无人机。为了适应新的特点，世界各国针对低空无人机空中交通管理开发了新框架。包括美国的无人机系统交通管理框架UTM(Unmanned Aircraft System Traffic Management)，欧盟委员会和欧洲航空安全局(EASA)提出建立公共无人机飞行系统U-Space以及中国的无人机运行管理(UAS Operation Management, UOM)系统。无人机交通管理技术的研发与落地，不仅能够满足不断增长的无人机行业应用需求，亦可作为有人机自动化演进的重要技术途径，实现中国航空业的快速发展，成为世界各国进入航空强国的重要途径。

　　多样性体现在从单一形态的多旋翼无人机发展到多功能多形态的多旋翼无人机，适应不同的应用需求。通过不断地改变多旋翼形态，可以克服目前多旋翼无人机的诸多不便。另外，不断深挖应用需求，通过配置不同载荷，满足不同需求。随着移动终端的兴起，芯片、电池、惯性传感器、通信芯片等产业链迅速成熟，成本下降，使载荷迅速向更加小型化、低功耗的设备迈进。这也给无人机多样性创造了更多的条件。多样化的另外的一个条件是载荷和接口的标准化，这一块一直得到了各国的重视。美国发布了《Standardization Roadmap for Unmanned Aircraft System》,以及中国发布了《GB/T 38058-2019 民用多旋翼无人机系统试验方法》等标准。标准的推出可以更好地分解系统，使得分系统达到精益求精。因此，多样化和标准化趋势也促使从业者需要用于创新，在分系统质量上或者针对需求的方案设计上能够做到领先。需求的多样化必将促进多旋翼无人机发展的多样化。