八一八：BIcopter阿凡达飞行器，到零零的新玩具，这是什么科技？

crazyai

零零的飞行器设计的确总能给人带来惊喜，在这个行业的确创新力不俗，不过那个说相声的英语老师做的手机创新力也不俗。很多人有个误解，创新等于利润，这很有问题。尤其在飞行器领域更是，针对每个应用去设计才是实用的正路。首先看设计输入：一个航拍玩具，给非专业人士用的50分钟真的扛得住么？很多人讨论大疆航时不行，其实你自己飞飞就知道了，普通人操作飞机20分钟就头晕脑胀了，专业飞手玩儿特技3分钟就要休息。因此，续航能力完全看需求，而不是越多越好。当然，面向全自主任务的工业无人机，航时才是刚需，所以它们都笨重庞大，不过不需要人操作啊。




那有人说：50分钟至少黑科技了吧，你们设计多轴50分钟很少见啊？哎，那是大家看到大疆，以及看到那些盲目跟随大疆的仿制品，形成的固有印象。轴距一米以上的多旋翼，一直就是50至90分钟的续航，这还不考虑这两年新型电池的发展。常见无人机的锂聚合物电池能量密度一般只有160至190wh/kg，特斯拉-松下为首的柱状锂电池早就达到250了，前提是你要精确计算放点能力，做总体匹配设计而已。所以，续航不过是采用了对设计要求更加苛刻的高密度电池而已，别人飞不到是不愿意为了电池限制载荷能力，这方面全部整体设计的玩具产品，从定位就有先天优势。设计方法和选料不同而已，没什么其他黑科技。




再说飞行器布局，很多人说这是新发明，Realy？你看零零什么时候宣传自己发明了这种飞行器了呢？它只能说设计了一个新产品。看过电影阿凡达吧，飞行原理一样的。那是卡梅隆发明了这种飞行器么？玩过一种古老的开源飞控MWC的玩家应该都清楚一种叫做BIcopter的飞行器吧，就是一模一样的控制方法。从昨天起，目前最火的开源飞控ardupilot也已经支持了BIcopter，有兴趣的玩儿家可以自己去装一台玩儿了。

按照我的叫法（注意，这仅仅是个人的习惯叫法，并无任何科学的来源。）这种布局应该叫做“桨平面控制的并列式双螺旋桨飞行器”，它通过两个螺旋桨对转来抵消大部分反扭，通过两个螺旋桨前后转动的差动联动来完成航向俯仰运动，通过两个螺旋桨转速的升力变化差动和联动来控制横滚和升降。静稳定性来自，升力中心永远高于全机重心。

下面对这个长词做下解释。

“桨平面控制”，指的是螺旋桨整体倾转。这种设计，在现实世界实用的飞行器用的很少，尤其是频繁转动来调整飞机姿态。原因很简单，大飞机发动机和螺旋桨旋转的时候有巨大的震动和陀螺效应，对倾转电机来说是致命的，很难维持长寿命，当然对于小玩具来说没问题。这就是为什么BIcopter一直没有工业化应用的核心原因。当然此类飞行器也是存在的，全部的自转旋翼机，大家都叫它“空中大风车”，就是靠桨平面控制，因为低成本，二战作为船只瞭望应用，后来就一直在国外比较穷的飞行爱好者手中把玩儿，近年还未成熟的复合式高速直升机，只在高速模态用到。




“并列式”就是左右两个螺旋桨，相应的串列式是前后两个螺旋桨，共轴式是上下两个螺旋桨。比如，鱼鹰V22就是并列式，支奴干就是串列式，卡50是共轴。

“双螺旋桨”一般教科书和媒体都喜欢叫“双旋翼”，但是我觉得这种螺旋桨跟固定翼螺旋桨并无区别，与直升机旋翼区别很大，直升机旋翼更加平，桨距的根尖扭转并不明显主要靠转速划动空气产生升力，靠周期变距控制姿态，这与这种精确的翼型扭转的螺旋桨完全不同。所以我个人喜欢还是叫它螺旋桨，所以大家喜欢叫的多轴飞行器，在我看来应该是“多螺旋桨飞行器”，而不是什么“多旋翼”，也不知谁起的头，都叫惯了我也随俗吧。BIcopter的螺旋桨与多旋翼螺旋桨，固定翼螺旋桨都没有本质区别，不用周期变距控制，有精确的扭转翼型的复杂几何曲面形状。所以，BIcopter其实是螺旋桨最少的多轴飞行器，它比摆尾和双摆前螺旋桨的三旋翼电机更少。

有人说这种飞行器简化了飞机结构，这不太正确。首先你得搞明白，要想一个东西在天上飞，我们这个三维的世界里你需要控制三个转动自由度：俯仰，横滚，航向，以及三个平移自由度：前后，左右，上下。最少用几个控制量呢？目前看人类最少需要四个。四旋翼的四个转速；固定翼俯仰，横滚，航向和推力；直升机最少两个周期变距控制，总距，以及尾桨；BIcopter两个螺旋桨转速，以及两个倾转控制。多出来的都是非必要冗余，很多情况下是为了降低控制难度，或者分配器件寿命。比如六旋翼，多的两个，就是为了降低电机拉力的需求，用其中四个调整转动方向，它一样飞；鱼鹰V22，倾转与周期变距冗余，周期变距与舵面冗余，其实控制能力够完全可以去掉一些，但目前人类科技不足，所以都得要啊。大疆无人机，电机向内倾斜为了增加稳定性，向侧面倾斜增加航向可控性，其实控制算法和螺旋桨气动设计到位完全不用倾斜。这种例子很多，目前人类的科技对于飞行器来说还是不足的，所以只用四个控制器件的飞行器，目前已经可以叫做“理想飞行器”了，比如四旋翼，常规固定翼，直升机，以及BIcopter，它们都是没有废重的飞行器。这种BIcopter也就没有什么“简化”的优势，相反，由于采用了倾转设计，带有了机械传动部件，其结构是要比四旋翼复杂的。而由于并列式的布局，螺旋桨尺寸受到机身限制，不能像直升机那样无限扩大，因此效率也受到了限制，总得来说：比四旋翼复杂，比直升机简单，这就是它的定位了。

发展一步，BIcopter能不能跟固定翼复合成为VTOL垂直起降飞行器呢？有可能，而且除了抗风能力渣到没法降落的尾座式VTOL，BIcopter应该是废重最少的一种了。问题在于，它的动力控制也是最复杂的，固定翼本身机翼与重心有严格的关系，垂起模态要求它俩旋翼与重心有严格关系，整个模态转换过程中，拉力线必须一直保持与重心的几何关系，发动机倾转还必须解决如何与机翼吊挂位置的关系……反正，设计VTOL飞机就是这样，废重越少问题越多，控制越难。