不久前舉行的 2016 HWTrek 全球智能硬件創新與制造大會上，有多個無人機項目在現場 Demo 中亮相，其中包括來自比利時的無人機項目 Fleye。這個項目去年在 Kickstarter 上成功籌資 31.4 萬歐元（約合 230 萬人民幣），預計今年 4 月份發貨。遺憾的是，我們在現場看到的仍是 3D 打印的原型機，Fleye 的首席技術官 Dimitri Arendt 表示，Fleye 的發貨時間要推遲到下半年了。

當然，我們這次不是來吐槽眾籌跳票的（畢竟已經習慣了），而是想與大家聊聊 Fleye 所代表的一種「另類」無人機。

涵道風扇無人機

許多媒體把 Fleye 稱為「球形無人機」，它的外形看起來像一只足球，螺旋槳安置在球狀機體內的上部中央位置，通過底部的導流板和控制舵片控制飛行姿態。事實上，具有類似結構的無人機被稱為涵道風扇無人機（ducted fan UAV），是區別于常見的固定翼、直升機和多旋翼的另一類無人機。

關于涵道無人機的應用研究最早興起于 20 世紀 80 年代。當時，美國海軍陸戰隊要求研制用于短時間偵察和監視的空中遠程遙控裝置 (AROD)，桑迪亞國家實驗室在 80 年代末根據要求開發出一種使用涵道風扇提供動力的小型無人飛行器，這種飛行器將涵道風扇作為主體，通過涵道內部和尾部的導流板保持飛行器的飛行穩定和控制姿態，觀測設備和控制系統則安裝在涵道上部和涵道外部側壁。由于當時飛行控制技術的制約，該計劃在 90 年代初宣告終止。

1992 年，美國啟動的多用途安全與監視任務平臺（Multipurpose Security and Surveillance Mission Platform）采用了 Sikorsky 公司 Cypher 涵道無人機，Cypher 采用共軸雙槳涵道式布局，通過螺旋槳的周期變距實現飛行姿態控制。

2001 年，DARPA 啟動了建制無人機（Organic Air Vehicle，OAV）計劃，要求開發具備懸停和凝視（hover and stare）能力的涵道無人機。在這一計劃的競標方案中，Allied Aerospace 公司的 iSTAR 系列涵道無人機比較有代表性，Fleye 在涵道結構設計上與 iSTAR 系列十分類似。

為軍事而生的「戰爭機器」

相比于其他類型的無人機，涵道無人機在一些方面具有明顯的優越性，而這些優越性也直接來源于這類無人機滿足軍事應用需要的設計初衷。

首先，由于動力系統位于涵道內，涵道壁可以有效約束螺旋槳葉尖的沖擊氣流，同時將噪聲阻隔在涵道內，從而降低整機的運行噪音；同時，涵道壁對發動機的熱輻射也有一定的阻隔作用，能在一定程度上降低機體熱輻射特性。這些都使得涵道無人機具有更好的隱蔽性。

其次，涵道無人機結構更加緊湊，相比于多旋翼及直升機型無人機，可以在更加狹小的環境中進行起降和作業，同時飛行時的空氣阻力也更小。

另外，涵道風扇可有效地將螺旋槳滑流轉換成推力，這使得同等直徑的涵道風扇效率大于一般螺旋槳。涵道式旋翼除了旋翼產生拉力外，涵道壁作為環形機翼，還會產生附加升力，使得涵道無人機除了可以垂直懸停之外，還可以接近水平地進行高速平飛。

在消費領域會有用武之地嗎？

答案可能并不樂觀。

以常見的航拍應用來說，涵道無人機從整機結構上就不適合這類用途：由于機體底部是涵道出風口，不像多旋翼無人機那樣有足夠的空間掛載拍攝設備，而只能像 Fleye 一樣將攝像頭安裝在機體頂部，這樣一來攝像頭的俯角視野將很大程度上被機身遮擋，較大角度的俯拍只能通過改變機身姿態來實現，而機身姿態一旦改變又無法實現有效的定點懸停。

說到定點懸停，盡管從氣動結構上來說，涵道無人機應當具有十分優秀的定點懸停能力，但實際上其定點穩定性并不見得比一般多旋翼無人機好。

首先，涵道無人機要實現理想的穩定性，對涵道結構設計的要求十分嚴苛，任何細微的內部或外部結構的改變都會導致重心的偏移或氣動結構的變化，進而影響穩定性。這對需要掛載各種拍攝設備和傳感器的航拍無人機來說無疑是難以滿足的條件。

其次，涵道無人機通過涵道內部和底部導流板的耦合作用產生姿態控制力和控制力矩，控制靈敏度將很大程度上受到導流板私服舵機的硬件性能限制，其發展過程甚至一度由于控制技術的限制而停頓，即使現在涵道無人機的控制技術相比其他類型無人機也仍不成熟，特別在變化風速等復雜環境中的穩定性仍存在亟待解決的問題。相比之下，直接通過電機差速控制飛行姿態的多旋翼無人機在控制上反而更加直接，也有更好的環境適應性。

而涵道結構在氣動效率方面的優勢，在類似 Fleye 這種續航時間只有 10 分鐘的無人機上，幾乎可以忽略不計。

所以，當涵道無人機作為消費產品出現時，其涵道式設計的主要優勢主要還是體現在安全性上。涵道壁的保護一方面可以防止螺旋槳傷人，另一方面也讓螺旋槳本身不易在撞擊中損壞。

Fleye 主打賣點是「世界上最安全的無人機」，倒也合情合理。

也許只能成為極客玩具

機器人一定是以完成特定任務為目的而設計和制造的，所有技術的應用只有以完成任務為導向時才有意義，無人機作為一種飛行機器人也不例外。那么，原本設計用于完成軍事任務的涵道無人機，其技術被移植到消費領域之后能做些什么呢？

在被問到 Fleye 的目標用戶和應用場景時，Arendt 回答的是：「Fleye 內置 Linux 系統，除了適合日常的室內拍攝之外，還允許用戶自行編程控制無人機來實現更多應用。」——Fleye 的答案似乎也并不明朗。

Fleye 配備了雙核 ARM A9 處理器和 512MB 內存，還搭載了兩個圖形處理器，眾籌價格在 800 歐元（約合 6000 人民幣）左右。相比于給老百姓用的「日常自拍無人機」，把它當做給極客們研究和探索涵道無人機的入門玩具可能更合適些。

感謝無人機中的城堡對本文的貢獻
參考資料：
《涵道無人機研究現狀與結構設計》徐 嘉 范寧軍
《小型涵道式無人機的研究進展》李遠偉 奚伯齊 伊國興 王常虹

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