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四旋翼飞行器动力学建模与控制技术研究随着无人机技术的不断发展，四旋翼飞行器已经成为了无人机市场中的一种重要机型。
四旋翼飞行器由于其体积小、操作灵活、便携性强等特点，被广泛应用于农业、地质勘探、安防、航拍等领域。
然而，四旋翼飞行器的稳定性及控制问题一直是制约其广泛应用的关键性技术之一。
因此，本文将探究四旋翼飞行器动力学建模及控制技术的研究现状和趋势。
一、四旋翼飞行器动力学建模四旋翼飞行器的动力学模型一般包括四个方程，分别是运动学方程、动力学方程、气动平衡方程以及电机方程。
首先，运动学方程是描述四旋翼飞行器在空间的运动轨迹和姿态的方程。
这个方程组包括七个微分方程，包括三个表示位置的方程和四个表示姿态的方程。
位置方程描述飞行器在三个自由度上的运动，姿态方程描述飞行器在三个方向上的旋转。
接下来，动力学方程主要描述四旋翼飞行器的运动和状态方程。
四旋翼飞行器的动力学方程主要包括牛顿定律、欧拉定理、动量定理和角动量定理。
气动平衡方程则描述了四旋翼飞行器在空气中的运动状态。
这个方程组包括六个方程，其中四个方程描述四个电机的输出，两个方程描述飞行器的速度和角速度。
电机方程则描述了四个电机的动力输出。
这个方程通常采用电机的转矩和输出功率来进行建模，用来计算四旋翼飞行器的运动状态。
二、四旋翼飞行器控制技术四旋翼飞行器的控制技术是保障其稳定飞行的关键之一。
控制技术的核心是设计合理的控制算法和系统结构，通过对飞行器的状态进行控制，以达到预定的控制目标。
其中，传统的PID控制算法无法适应四旋翼飞行器的高自由度、快速响应的特点。
针对这个问题，目前研究较多的是基于模型预测控制（MPC）和切换控制的方法。
MPC将控制问题视为一个优化问题，通过对未来状态进行预测，优化当前状态，从而实现系统控制。
而切换控制则通过将控制问题分成多个子空间，通过切换不同的控制子空间，实现系统控制。
同时，四旋翼飞行器的控制技术也离不开传感技术的支撑。
四旋翼飞行器需要准确地获取各种姿态、位置、速度等信息才能进行控制。
第22卷 第5期宇 航 学 报V o l.22N o.5 2001年9月JOU RNAL O F A STRONAU T I CS Sep.2001微型飞行器的研究现状与关键技术肖永利 张 琛(上海交通大学信息存储研究中心,上海200030)摘要:微型飞行器目前在国际上是一个研究热点,它突破了传统常规飞行器的设计和制作概念,是随着微米纳米科技和微电子机械系统(M E M S)的蓬勃兴起而发展起来的一个新的研究领域。
本文介绍了国内外各种微型飞行器当前的研究发展状况,分析了微型飞行器研制中的一些关键技术,并对其未来发展前景作了展望。
关键词:微型飞行器;微飞行机器人;微电子机械系统(M E M S);扑翼中图分类号:V279+12 文献标识码:A 文章编号:100021328(2001)0520026207STUDY ON PRESENT SITUAT I ON AND D EVELOP M ENTOF M I CRO A IR VEH I CL ESX iao Yongli Zhang Chen(Info r m ati on Sto rage R esearch Center,Shanghai J iao tong U niversity,Shanghai200030)Abstract:T he study of m icro air veh icles(M AV s)has now becom e the focal po int of re2 search in the w o rld.It broke th rough the traditi onal design concep t of the aircraft,and becam ea new research field w ith the developm ent of m icro and nanom eter science and m icro elec2trom echanical system(M E M S).T he p resent develop ing situati on of vari ous m icro air veh icles inthe w o rld w as introduced in details in th is paper.T he key techno logies of the m icro air veh iclesw ere analyzed and their future long ter m po tential w as also discussed.Key words:M icro air veh icles(M AV s);F lying m icro robo ts;M icro electrom echanical sys2 tem(M E M S);F lapp ing w ing1 引言人类对微型飞行器的梦想和渴望由来已久,但受到理论认识和科技发展速度制约,微型飞行器在很长一段时间里并未得到足够的重视和发展,成为航空领域内一项长期的研究空白。
基于视觉的微小型四旋翼飞行器位姿估计研究与实现近年来，随着无人机技术的飞速发展，微小型四旋翼飞行器（Micro Aerial Vehicles，MAV）在军事、民用以及科学研究领域得到广泛应用。
然而，由于微小型四旋翼飞行器具有体积小、负载轻的特点，机载传感器受限，同时在复杂环境下的准确位姿估计仍然是一个挑战。
位姿估计是微小型四旋翼飞行器实现自主飞行和导航的重要环节。
传统的位姿估计方法主要依靠惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）和全球定位系统（Global Positioning System，GPS）等传感器的测量数据。
然而，这些传感器仅能提供有限的信息，并且容易受到环境干扰，从而导致位姿估计的不准确性。
因此，基于视觉的位姿估计方法成为研究的热点和难点。
基于视觉的位姿估计方法利用了飞行器上搭载相机的图像信息，通过对图像进行分析和处理，获得飞行器相对于地面的准确位置和姿态。
在实现过程中，首先需要对图像进行特征提取和特征匹配，通过寻找图像中的角点或者特定的纹理特征，计算出特征点的位置和方向。
接着，通过特征点的匹配，建立相机坐标系与世界坐标系之间的映射关系，从而得到相机相对于世界坐标系的位姿信息。
然而，基于视觉的位姿估计方法仍然面临一些挑战。
首先，由于微小型四旋翼飞行器的体积小，相机像素尺寸有限，导致捕获的图像分辨率较低，特征提取的精度和鲁棒性受到限制。
其次，微小型四旋翼飞行器飞行速度较快，快速的姿态变化会导致特征点在相邻帧之间的跟踪失败，进而影响位姿估计的准确性。
此外，光照变化和遮挡等环境因素也会对视觉位姿估计方法的性能产生影响。
为了解决以上问题，研究人员提出了一系列基于视觉的位姿估计方法和算法。
例如，利用非线性优化方法，通过最小化图像特征点在不同帧之间的重投影误差，从而得到最优的位姿估计结果。
另外，基于视觉惯导融合的方法也被广泛应用。
该方法将视觉信息与惯性测量单元的测量结果进行融合，通过互补滤波器或者扩展卡尔曼滤波器等算法，最终得到更准确的位姿估计结果。
·263·Shang Pin Yu Zhi Liang 商品与质量技术探讨Ji Shu Tan Tao 引言当前四旋翼飞行器的研究在国外处于领先地位，我国对四旋翼飞行器的研究还处于起步阶段，但在国内各所高效内已经相继开展了四旋翼飞行器的研究工作，当前国内已经完成完整的飞行器数学模型的建立以及飞行器系统的软硬件设计，结合多种控制方法的应用，实现四旋翼飞行器设计上的突破性进展。
一、四旋翼飞行器的研究现状目前世界上的四旋翼飞行器一般可分为三类：遥控航模四旋翼飞行器、小型四旋翼飞行器以及微型四旋翼飞行器。
1.1遥控航模四旋翼飞行器美国的Dragon flyer 公司研制的Dragon flyer 和香港银辉玩具制品有限公司研制的X-UFO 是遥控航模四旋翼飞行器的典型代表，前者主要用于航拍，机体有效载荷达到113.2g，旋翼直径28cm，机体由碳纤维和高性能塑料构成，可实现16到20分钟的持续飞行。
X- UFO 为玩具制品，机体最大长度 68.5 cm， 高14cm，持续飞行时间约为5分钟，100米的遥控距离，但安全性较高。
1.2小型四旋翼飞行器当前小型四旋翼飞行器的研究主要集中在基于惯导的自主飞行控制、基于视觉的自主飞行控制和自主飞行器系统方案三个方面。
瑞士几所大学研发了OS4、HMX4和GTMARS 小型四旋翼飞行器。
其中OS4融入了小型飞行器机构设计的新方法和自助飞行控制算法，可以实现室内和室外环境的飞行的完全自主化。
其中OS4I 的最大长度约 73 cm， 质量为 235 g，采用了Dragon flyer 的旋翼和十字框架，研究人员将一个X sense 的MT9- B 微惯性测量单元通过万向节固定于飞行测试平台上，控制其具有三个转动自由度，通过多种控制算法的应用实现飞行器的姿态控制。
1.3微型四旋翼飞行器德国2006年研发的md-200微型四旋翼飞行器推出后，在欧洲的警察、消防、军队等多个领域快速应用，在欧洲市场取得了巨大的成功。
四旋翼飞行器的设计查重98%四旋翼微型飞行器是一种以4个电机作为动力装置.通过调节电机转速来控制飞行的欠驱动系统;为了实现四旋翼微型飞行器的自主飞行控制,对飞行控制系统进行了初步设计,并且以C8051F020单片机为计算控制单元,给出了飞行控制系统的硬件设计,研究了设计中的关键技术;由于采用贴片封装和低功耗的元器件,使飞行器具有重量轻、体积小、功耗低的优点;经过多次室内试验,该硬件设计性能可靠,能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求.一．微小型四旋翼飞行器的发展前景根据微小型四旋翼飞行器发展现状和相关高新技术发展趋势，预计它将有以下发展前景。
1 )随着相关研究进一步深入，预计在不久的将来小型四旋翼飞行器技术会逐步走向成熟与实用。
任务规划、飞行控制、无 G P S 导航、视觉和通信等子系统将进一步健全和完善，使其具有自主起降和全天候抗干扰稳定飞行能力。
它未来的主要技术指标：任务半径 5 k m，飞行高度 1 0 0 m，续航时间 1 h ，有效载荷约 5 0 0 g ，完全能够填补目前国际上在该范围内侦察手段的空白。
2 )未来的微型四旋翼飞行器将完全能够达到美国国防预研局对 M A V基本技术指标的要求。
随着低雷诺数空气动力学研究的深入，以及纳米和 M E MS 技术的发展，四旋翼 M A V必然取得理论和工程上的突破。
它将是一种有 4个旋翼的可飞行传感器芯片，是一个集成多个子系统 ( 导航与控制、动力与能源、任务与通信等子系统) 的高度复杂ME M S系统；不但能够在空中悬停和向任意方向机动飞行，还能飞临、绕过甚至是穿过目标物体。
此外，它还将拥有良好的隐身功能和信息传输能力。
3 )微小型四旋翼飞行器的编队飞行与作战应在未来的战争中，微小型四旋翼飞行器的任务之一将是对敌方进行电子干扰并攻击其核心目标。
单个微小型飞行器的有效载荷量毕竟有限，难以有效地完成任务，而编队飞行与作战不仅可以极大地提高有效载荷量，还能够增强其突防能力。
四旋翼无人机的发展现状
无人机是一种不搭载人员的飞行器，具备自主飞行能力。
四旋翼无人机是其中一种常见的型号，它以四个旋翼为动力，可以在空中悬停、垂直起降、进行定点飞行和航线飞行。
目前，四旋翼无人机的发展非常迅速，其广泛应用于各个领域。
在农业方面，农民可以利用四旋翼无人机进行农田测绘、精准施药和作物监测，提高农业生产效率。
在物流方面，四旋翼无人机可以进行快递配送，解决交通拥堵和偏远地区物流难题。
在安全领域，四旋翼无人机可以进行边境巡查、灾害勘测和消防救援，提高安全防护能力。
技术方面，四旋翼无人机的性能也在不断提升。
新一代的四旋翼无人机拥有更高的飞行稳定性和控制精度，能够在恶劣天气条件下进行飞行，并搭载更多的传感器和设备。
此外，无人机制造商还在研发可折叠设计的四旋翼无人机，使其更加便携和易携带。
虽然四旋翼无人机发展迅速，但仍然面临着一些挑战。
首先是飞行安全问题，由于无人机的普及和飞行控制难度较低，存在潜在的飞行事故风险。
其次是法律和隐私问题，需要制定相应的法规和政策来管理和监管无人机的使用。
此外，飞行时间较短、飞行高度受限等技术问题也需要进一步解决。
总体而言，四旋翼无人机的发展前景广阔，将在各个领域发挥重要作用。
随着技术的进步和应用的不断拓展，相信无人机的性能将不断提升，应用场景也将越来越多样化。
微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析岳基隆,张庆杰,朱华勇(国防科学技术大学机电工程与自动化学院,长沙410073)摘要:随着嵌入式处理器、微传感器技术和控制理论的发展和成熟,微小型四旋翼无人机逐步向高效、多功能化方向发展,并广泛应用于军事、民用、以及科学研究等多个领域。
首先,从原型研发、平台集成和商业化应用3个方面介绍了目前国内外在该领域最新的研究情况。
结合四旋翼无人机的特点,着重分析了微型机电系统、空气动力学设计、非线性系统建模以及飞行控制等关键技术。
最后,在国内外研究进展和关键技术分析的基础上,指出了未来四旋翼无人机技术发展趋势。
关键词:四旋翼;无人机;进展;关键技术中图分类号:V279文献标志码:A文章编号:1671-637X(2010)10-0046-07Research Progress and Key Technologies ofM icroQuad-Rotor UAVsYUE Jilong,Z HANG Q ing jie,ZHU H uayong(Co ll ege ofM echtron ic&A uto m ation,N a ti ona lU n i ve rs i ty o f D efense T echno l ogy,Changsha410073,Ch i na)A bstract:W ith the develop m en t of e mbedded processors,m icro-sensor techno l o gy and contro l theory, m icro quad-ro tor UAV i s g radually deve l o ped to be m ore e ffi c ient and m u lt-i f u nctiona,l and has found w i d e application in m ilitary,c i v ili a n,scientific research and other fie l d s.F irst o f a l,l the latest research situati o n at ho m e and abroad is introduced fro m t h ree aspects of pr o totype research and developm en,t p latf o r m i n tegration and co mm ercia l applicati o n.Second,accordi n g to the characteristics of quad-rotor UAV,the key technolog ies of m icro-electrical syste m,aerodyna m ic design,nonlinear syste m m ode ling and fli g ht contro l are ana l y zed i n detai.l F i n ally,the future developm ent trend of quad-r o tor UAV is presented based on the research progress and key techno log ies analysis.K ey words:quad-r o tor;Unm anned AerialV eh icle(UAV);developm en;t key techno logy0引言近年来,无人机(U n m anned A erial V ehicles,UAV)的应用和研究广泛受到有关各个方面的重视。
微型飞行器的研究进展和关键技术随着芯片技术和单片技术的快速发展，微型飞行器在日常生活中也越来越常见，无论是娱乐、科研还是工作，微型飞行器的应用越来越广泛。
由于微型飞行器的体积小、重量轻、携带方便，可广泛适应于各个应用场景，因此得到了广大使用者的青睐，也推动了我国微型飞行器技术的快速发展。
文章首先对微型飞行器的研究进展和研究现状做简要的介绍，然后针对微型飞行器的关键技术进行详细的说明，为今后微型飞行器的研究指出相应的研究方向。
标签：微型飞行器；研究；进展；关键技术Abstract：With the rapid development of chip technology and monolithic technology，micro air vehicle is becoming more and more common in daily life. Whether it is entertainment，scientific research or work，the application of micro air vehicle is more and more extensive. Because of its small size，light weight，and easiness to carry，it can be widely used in various application scenarios，so it has been favored by the vast number of users，and has also promoted the rapid development of microair vehicle technology in China. In this paper，the research progress and current situation of micro air vehicle are briefly introduced，then the key technology of micro air vehicle is described in detail，and the corresponding research direction is pointed out for the future research of micro air vehicle.Keywords：micro air vehicle；research；progress；key technology引言隨着科学技术的快速发展，微型飞行器在日常生活中的应用也越来越广泛。
四旋翼无人机研究现状及研究意义虽然目前四旋翼飞行器因为自身诸多优点吸引了很多研究者的注意, 并且己经被应用到各种领域, 但是在技术方面依然存在很多难题需要克服。
其中, 最为关键的问题便是飞行控制问题, 在设计控制策略方面主要存在两个方面的困难:第一, 难以对其建立精确的数学模型。
和一般飞行器一样, 四旋翼飞行器在飞行过程中, 不仅要受到重力、空气动力、本体升力等作用, 还要受到未知并且变化的气流等外部干扰的影响, 这导致很难获得准确的气动性能参数, 从而难以建立精确有效的数学模型, 大大阻碍了设计控制效果优良的控制策略的设计。
第二, 四旋翼飞行器是一个典型的多输入多输出(MIMO)、非线性、强耦合的欠驱动系统, 同时对干扰比较敏感, 这大大增加了控制的难度, 使得飞行控制系统的设计变得非常困难。
针对四旋翼飞行器, 目前主要有三种控制策略：局部线性化、非线性控制和智能控制。
(1)局部线性化方法局部线性化方法是基于线性化的思想, 首先将四旋翼飞行器的非线性模型通过小扰动模型思想或者局部线性化的思想转化为线性模型, 然后基于线性控制方法设计控制器, 其主要包括传统PID控制和最优LQR控制。
PID控制基本思想是将四旋翼飞行器的模型分为化个独立的线性化通道, 并分别对每个通道设计PID控制律, 步骤简单, 易于实现。
例如, Salih设计了一种PID控制器对四旋異飞行器进行飞行控制, 他将四旋翼系统分为全驱动和欠驱动通道, 分别对两个通道设计ＰＩＤ控制器, 并通过仿真证明了控制器的有效性[8]。
LQR(Linear Quadratic Regulator)即线性二次型调节器是一种最优控制策略, 基本思想是在满足性能函数取得最优值的约束下, 根据相应原理设计控制器。
例如, 高青等人为四旋翼飞行器的姿态稳定控制提出了新的LQR控制器, 该控制器能够实现姿态的快速稳定控制并跟踪参考输入[9]；李一波等人采用一种指令跟踪増广LQR方法设计了飞翼式无人机纵向姿态控制律, 并取得不错的控制效果[10]。
无人机本文2007-08-02收到,作者分别系海军航空工程学院讲师、副教授和助教图1 微型蝙蝠飞行器微型扑翼飞行器的现状及关键技术郭卫刚 贾忠湖 康小伟摘 要 微型扑翼飞行器是高新技术的产物,是当前国内外研究的热点。
简述了微型扑翼飞行器目前的发展现状,提出发展微型扑翼飞行器的几项关键技术,并对微型扑翼飞行器的发展趋势进行了展望。
关键词 扑翼机 微型飞行器 微机电系统(ME M S)MAV(M icro A ir Veh icle微型飞行器)由于具有特殊的用途(如侦察、电子干扰、搜寻、救援、生化探测等)而倍受关注。
根据美国国防高级研究计划局(DARPA)提出的要求,微型飞行器的基本技术指标是:飞行器各个方向的最大尺寸不超过150mm,续航时间20m i n~60m in,航程达到10km以上,飞行速度22k m/h~45km/h,可以携带有效载荷,完成一定的任务[1]。
按飞行原理的不同,MAV分为固定翼、旋翼、扑翼三大类型。
固定翼布局有许多问题亟待解决,如升阻比相对较小,在低雷诺数状态下机翼不能提供足够的升力,遭遇突风难以保持稳定等。
旋翼布局尽管能够垂直起降和悬停,但其飞行速度低,质量大,仅适宜于在比较狭小的空间或复杂地形环境中使用。
而综观生物的飞行,无一例外都是采用扑翼飞行方式。
同常规布局相比,扑翼布局仅用一套扑翼系统就可代替螺旋桨或喷气发动机提供推力;扑翼可以使MAV像昆虫和鸟类那样低速飞行、盘旋、急转弯甚至倒飞;扑翼下面可以产生一种涡流,这是扑翼飞行器飞行的必要助推力,扑翼飞行器可以通过自身机翼扇动产生的上下大气压差来飞行。
微型扑翼飞行器具有一般航空飞行器无法比拟的机动和气动性能,与无人侦察机相比,具有以下优势:可以低速飞行,可以随意改变方向,可以悬停,还可以向后倒退。
1 研究现状在DARPA的资助下,微型扑翼飞行器的研究得到了很大进展,主要有加州理工学院与加利福尼亚洛杉矶大学共同研制的微型蝙蝠(M icrobat[2]),斯坦福研究中心和多伦多大学共同研制的引导者(M en-tor),乔治亚理工研究院及其协作者研制的昆虫机(Ento m opter)。
四旋翼发展现状
四旋翼（即无人机）作为一种新兴的航空器，已经实现了快速的发展。
它的应用范围涵盖了农业、建筑、物流、影视制作等多个行业。
在农业领域，四旋翼的应用极大地提高了农作物的管理效率。
通过搭载红外线相机和多光谱相机，农民可以迅速扫描整个农田，并通过图像识别技术进行病虫害的检测和预警。
这不仅缩短了农药使用的周期，还减少了农药的使用量，更环保。
在建筑领域，四旋翼的运用让勘测和监测工作更加高效。
传统的建筑测量需要耗费大量的时间和人力，而使用四旋翼可以快速获取建筑物的三维模型和精确的地理数据。
这有效地提高了勘测的准确度，并且可以及时发现和修复建筑中的问题。
在物流行业，四旋翼的运用为快递和货运带来了革命性的改变。
通过无人机进行快递，不仅可以节省大量的人力成本，还可以实现更加快速和安全的物流运输。
目前一些国内外的快递巨头已经开始试点无人机送货服务，为快递行业带来了新的机遇。
在影视制作领域，四旋翼的使用为拍摄提供了更多创意和可能性。
通过高空拍摄和特殊角度的拍摄，可以将影视作品的画面效果提升到一个新的高度。
同时，四旋翼的运动灵活性也能够满足一些特殊场景下的拍摄需求，例如追踪镜头或跟随拍摄。
总体来说，四旋翼作为一种多功能和高效的航空器，已经在各
个行业取得了巨大的成功。
随着技术的不断进步和创新，四旋翼未来的应用前景将更加广阔。
浅谈四旋翼飞行器的技术发展方向四旋翼飞行器是多旋翼飞行器中结构和控制系统最为简单、应用最广的一种飞行器。
其稳定性好、灵活性好，具有多种飞行姿态。
通过阐述四旋翼飞行器的发展现状，组织结构、用途、技术特点等内容，对四旋翼飞行器作以介绍，同时对其未来的用途和技术发展方向做出说明。
标签：四旋翼飞行器；结构组成；用途；发展方向引言四旋翼飞行器，是一种具有四个螺旋桨的飞行器并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构，相对的螺旋桨旋转方向相同，两组螺旋桨的旋转方向不同。
四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直起降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行。
四旋翼飞行器隶属于多旋翼飞行器。
相对于直升机，其稳定性好、灵活性好，但控制系统复杂。
相对于固定翼飞行器其具有适应环境能力强，可以多种姿态飞行，如悬停、前飞、侧飞和倒飞等。
虽然国际上对四旋翼无人机的研究已经取得了丰硕的成果，并已将研究重点转入智能飞行，并投入商业应用。
但是目前国内的研究较少，起步也比较晚。
国内部分高校对四旋翼飞行器现在都开展了深入研究，利用现代控制技术和科学技术，实现了定位导航、悬停等功能。
1 四旋翼飞行器发展现状近年来，随着传感器、驱动器、处理器以及能源供给等在技术方面有了突破性的发展，四旋翼飞行器的开发和研制也掀起热潮。
在短时间内就吸引了许多研究者的注意，并很快成为当今国际上一个新的研究热点之一。
2 四旋翼飞行器结构组成四旋翼飞行器由四组电机和螺旋桨作为飞行的直接动力源，对称分布在机架悬臂的末端，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，相对电机为一组，螺旋桨旋转方向相同；两组螺旋桨旋转相反。
支架中间安放飞行控制板、电池、电调和功能模块。
3 用途四旋翼飞行器因其垂直起降、空中悬停、大容量数据传输能力、使用维护简便、使用维护成本低、无需起飞场地等特点，其用途广泛，涉及领域多，通过调研目前的四旋翼飞行器市场，总结几类用途如下：军队应用：丛林的监视和侦察、战术侦察和瞄准、排爆、反海盗、边防监测、空中侦察、巡逻攻击机等。
四旋翼飞行器飞行控制技术综述随着科技的不断发展，四旋翼飞行器在民用领域的应用越来越广泛。
飞行控制技术是四旋翼飞行器的关键技术之一，它对于四旋翼飞行器的稳定性、安全性、控制精度和航行性能等方面起着重要的作用。
本文将综述四旋翼飞行器飞行控制技术的研究现状、方法和发展趋势。
一、四旋翼飞行器的基本结构和工作原理四旋翼飞行器是一种垂直起降的多旋翼飞行器，由四个同心布局的螺旋桨组成。
四个螺旋桨通过电机驱动旋转，产生向上的升力，控制螺旋桨的运动状态可实现飞行方向和高度的控制。
四旋翼飞行器的运动状态包括横向运动（Roll）、纵向运动（Pitch）和偏航运动（Yaw）。
横向运动是指四旋翼在横向方向上的旋转；纵向运动是指四旋翼在纵向方向上的旋转；偏航运动是指四旋翼在垂直方向上的旋转。
这些运动状态的控制可以通过改变四个螺旋桨的转速来实现。
二、四旋翼飞行器控制系统的组成四旋翼飞行器控制系统主要由传感器、执行器、控制算法和通信模块等组成。
1.传感器传感器是控制系统的输入设备，用于感知四旋翼飞行器的姿态状态和环境信息。
常用的传感器包括加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计和GPS等。
2.执行器执行器是控制系统的输出设备，主要由四个电机和螺旋桨组成。
通过改变电机的转速控制螺旋桨的转动，从而实现四旋翼的运动状态控制。
3.控制算法控制算法是控制系统的核心部分，主要用来根据传感器感知的姿态状态和环境信息计算出下一时刻需要的执行器输出。
现有的控制算法主要包括PID控制器、自适应控制器、模型预测控制器等。
4.通信模块四旋翼飞行器的通信模块可用于与地面无线遥控器、计算机或其它无人机等相互通信。
一般来说，通信模块主要用于实现飞行器和操作员之间的实时数据传输和遥控指令的发送。
三、四旋翼飞行控制技术的研究现状四旋翼飞行器的飞行控制技术是无人机领域最具挑战性的研究问题之一，吸引了大量学者的关注。
目前已有很多关于四旋翼飞行控制技术的研究成果，主要可分为下面几个方面。
四旋翼自主飞行器设计报告林，张，翁（泉州师范学院物理与信息工程学院，福建泉州362000）摘要：设计四旋翼自主飞行器，使得飞行器自主的从一个指定的区域飞到另外的一个指定区域降落并停机。
四旋翼飞行器具有四个定螺距螺旋桨，可以通过协调各个旋翼的速度来控制飞行器的飞行姿态和飞行速度，而不需要繁杂的桨矩控制部件，而且也可以共享电池、控制电路板等，因此简化了结构，减轻了飞行器重量，可以减少能源消耗。
关键字：四旋翼飞行器；电机；电调一、系统方案1.1方案描述四轴飞行器是一个具有6个自由度和4个输入的欠驱动系统,具有不稳定和强耦合等特点,除了受自身机械结构和旋翼空气动力学影响外,也很容易受到外界的干扰。
无人机的姿态最终通过调节4个电机的转速进行调整,飞行控制系统通过各传感器获得无人机的姿态信息,经过一定的控制算法解算出4个电机的转速,通过I2C接口发送给电机调速器(简称电调),调整4个电机的转速,以实现对其姿态的控制。
姿态控制是整个飞行控制的基础,根据姿态控制子系统的数学模型[4],姿态控制系统需要检测的状态有:无人机在机体坐标系下3个轴向的角速度、角度和相对地面的高度。
飞控系统担负着传感器信息采集、控制算法解算及通信等各种任务,是整个无人机的核心,其主要功能有: (1)主控制器能快速获得各传感器的数据,并对数据进行处理; (2)传感器实时检测无人机的状态,包括姿态、位置、速度等信息; (3)主控制器能与PC机进行数据交换;(4)系统能进行无线数据传输。
根据四轴飞行器实际的飞行需求,飞行控制系统一般包含主控制器、各传感器模块,通信模块和电源模块等。
其中主控制器采集各传感器的信息,通过控制算法求解出4个电机的转速,通过I2C接口发送给电调;惯性测量单元检测无人机3个轴向的角速度和加速度;高度传感器检测无人机的高度;无线数传模块用于传送控制指令,也可以在调试时用于传输传感器数据;电源模块为各传感器和主控制器提供电源。
四旋翼飞行器飞行控制技术综述四旋翼飞行器是一种由四个电动马达驱动的多旋翼飞行器，它通过改变四个电动马达的转速来实现飞行器的飞行、俯仰、滚转和偏航的控制。
随着科技的不断发展，四旋翼飞行器的应用范围越来越广，从娱乐飞行、航拍摄影到军事侦察等领域都有广泛的应用。
这些应用对飞行控制技术提出了更高的要求，使得飞行控制技术在不断发展和完善。
本文将对四旋翼飞行器的飞行控制技术进行综述，并介绍其发展现状和未来趋势。
一、四旋翼飞行器的基本结构四旋翼飞行器是一种以四个电动马达为动力的多旋翼飞行器。
它的基本结构包括机身、四个电动马达、螺旋桨和飞行控制系统。
四个电动马达分别安装在飞行器的四个角上，每个电动马达带动一个螺旋桨，通过改变四个电动马达的转速来控制飞行器的飞行、俯仰、滚转和偏航。
飞行控制系统是四旋翼飞行器的核心部件，它包括传感器、处理器和执行器。
传感器用于感知飞行器的姿态、位置和速度等信息，包括加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计等。
处理器用于处理传感器采集的信息，并根据飞行器的控制策略生成相应的控制指令。
执行器用于执行处理器生成的控制指令，包括电动马达和螺旋桨。
二、飞行控制技术的发展历程四旋翼飞行器的飞行控制技术发展经历了多个阶段。
最初的四旋翼飞行器采用手动遥控的方式进行飞行控制，需要操纵员具有较高的飞行技能。
随着计算机技术和传感技术的发展，飞行控制系统逐渐引入了自动稳定、自动悬停和自动导航等功能，大大降低了对操纵员的飞行技能要求，并使飞行器的飞行更加稳定和安全。
近年来，随着人工智能技术和无人机技术的飞速发展，四旋翼飞行器的飞行控制技术也得到了进一步的完善。
飞行控制系统不仅能够实现自动稳定和悬停，还可以实现自主飞行、避障、跟随和编队飞行等高级功能。
这些功能使得四旋翼飞行器在无人飞行、军事侦察和应急救援等领域具有更广泛的应用前景。
飞行控制技术的关键技术包括飞行器姿态控制、位置控制、导航控制和避障控制等。
1. 姿态控制技术姿态控制技术是指飞行器在空中保持特定的姿态，包括飞行、俯仰、滚转和偏航。
文章编号:1671-637Ⅹ(2007)06-0113-05微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术聂博文, 马宏绪, 王 剑, 王建文(国防科学技术大学机电工程与自动化学院,长沙 410073)摘 要: 微小型化是世界无人机发展的重要方向之一。
对一种新颖的微小型四旋翼无人飞行器进行了介绍,综合了微小型四旋翼飞行器的概念和特性,然后主要从机构设计和飞行控制两方面介绍了世界微小型四旋翼飞行器的发展现状,详细叙述了小型四旋翼飞行器的发展技术路线。
在此基础之上,进一步分析了相关的关键技术问题,并对未来发展、应用前景作了展望。
最后介绍了某微小型四旋翼飞行器研究进展情况。
关 键 词: 四旋翼飞行器; 微小型无人机; 微机电系统(ME MS); 飞行控制; 编队飞行中图分类号: V271.4文献标识码: AStudy on actualities and criticaltechnologies of micro mini quadrotorNIE B o-wen, MA Hong-xu, W ANG Jian, WANG Jian-wen(Co llege of Mechtronic&Automation,National University of Defense Technology,Changsha410073,China)A bstract: Micromation miniaturization is one of the most important trends of the world's UAVs.In this pa-per,a novel micro mini four rotor vehicle(quadrotor)was summarized.At first,the concept and characteris-tics of the quadrotor were pr oposed.Then the status of the micro mini quadrotor was introduced and its fabrica-tion and flight control were summarized.The trends of the mini quadr otor's development were described in de-tail.Further more,the associated critical technologies and future development were presented.The research status of the quadrotor developed by the Robot Lab in National University of Defense Technology was also de-scribed.Key words: quadrotor; micr o mini unmanned air vehicle; micr o electromechanical system; flight con-trol; formation flight0 引言微小型四旋翼飞行器是一种电动的、能够垂直起降(VTOL)的、多旋翼式遥控自主飞行器。
它在总体布局形式上属于非共轴式碟形飞行器,与常规旋翼式飞行器相比,其结构更为紧凑,能够产生更大的升力,并且4只旋翼可相互抵消反扭力矩,不需要专门的反扭矩桨。
早在1907年,Bréguet-Richet就让世界上第一架四旋翼飞行器“Gyroplane No.1”升上了天空[1]。
收稿日期:2006-06-23 修回日期:2006-08-09作者简介:聂博文(1981-),男,四川自贡人,硕士生,主要从事微小型无人机方面的研究。
但由于构造复杂、不易操纵等原因,大型四旋翼飞行器的发展一直都比较缓慢。
近年来,随着新型材料、微机电(ME MS)、微惯导(MI MU)以及飞行控制等技术的进步,微小型四旋翼飞行器得到了迅速发展,逐渐成为人们关注的焦点。
微小型四旋翼飞行器特别适合在近地面环境(如室内、城区和丛林等)中执行监视、侦察等任务,具有广阔的军事和民用前景;与此同时,它还是火星探测无人飞行器的重要研究方向之一[2];另外,新颖的外形、简单的结构、低廉的成本、卓越的性能以及独特的飞行控制方式[3](通过控制4只旋翼的转速,实现飞行控制)使其对广大科研人员具有很强的吸引力,成为国际上新的研究热点。
第14卷第6期2007年12月 电光与控制ELECTRONICS OPTICS&C ONTROL Vol.14 №.6Dec.20071 微小型四旋翼飞行器的研究现状目前世界上存在的四旋翼飞行器基本上都属于微小型无人飞行器,一般可分为3类:遥控航模四旋翼飞行器、小型四旋翼飞行器以及微型四旋翼飞行器。
1.1 遥控航模四旋翼飞行器遥控航模四旋翼飞行器的典型代表是美国Dra -ganflyer 公司研制的Draganflyer Ⅲ[3-4]和香港银辉(silverlit )玩具制品有限公司研制的X -UFO 。
Dra ganflyer Ⅲ是一款世界著名的遥控航模四旋翼飞行器,主要用于航拍。
机体最大长度(翼尖到翼尖)76.2cm ,高18cm ,重481.1g ;旋翼直径28c m ,重6g ;有效载荷113.2g ;可持续飞行16～20min 。
Dra ganflyer Ⅲ采用了碳纤维和高性能塑料作为机体材料,其机载电子设备可以控制4个电机的转速。
另外,还使用了3个压电晶体陀螺仪进行姿态增稳控制。
X -UFO 机体最大长度68.5cm ,高14cm ;持续飞行时间约5min ;遥控距离可达100m 。
X -UFO的旋翼被置于发泡聚丙烯(EPP )制成的圆环中,比Draganflyer Ⅲ有更好的安全性。
图1 Draganflyer Ⅲ 图2 X -UF O1.2 小型四旋翼飞行器世界上对小型四旋翼飞行器的研究主要集中在3个方面:基于惯导的自主飞行控制、基于视觉的自主飞行控制和自主飞行器系统方案,其典型代表分别是:瑞士洛桑联邦科技学院(EPFL )的OS4[5-7]、宾夕法尼亚大学的HMX4[8]和佐治亚理工大学的GT MARS [2]。
OS4是EPFL 自动化系统实验室开发的一种电动小型四旋翼飞行器,研究的重点是机构设计方法和自主飞行控制算法,目标是要实现室内和室外环境中的完全自主飞行。
目前,该项目已经进行了两个阶段。
OS4I 最大长度约73cm ,质量为235g ;它使用了Draganflyer Ⅲ的旋翼和十字框架,4个Faulhaber 1724电机,以及一个Xsense 的MT9-B 微惯性测量单元。
研究人员通过万向节将它固定于飞行测试平台之上,使其只具有3个转动自由度;能源供给、数据处理、电机驱动模块以及飞行控制单元都由飞行器外部提供;至2004年,已经分别基于多种控制算法(例如:PID [5]、LQ[5]、Backstepping[6]、Sliding -mode [6]),实现了飞行器姿态控制。
OS4II 的机身最大长度72c m ,重520g ;机载230g 的锂电池,能提供自主飞行30min 的能量。
它与OS4I 的区别主要有:使用了桨叶面积更大的新旋翼;使用了更轻、功率更大的LR K 无刷电机B LDC ;使用皮带减速装置代替了电机减速箱;控制器、传感器、电池和电机驱动模块等都直接安装在机体上,不再由机体外部提供。
2006年1月,EPFL 已经实现了OS4II 在室内环境中基于惯导的自主悬停控制。
图3 OS4I 图4 OS4IIH MX4在机构上与Draganflyer Ⅲ相似,最大长度76cm ,重约700g ,机体底部有5个彩色标记。
地面摄像头跟踪并测量标记的位置与面积,从而计算获得飞行器的3个姿态角(角速率则由3轴陀螺仪测量获得,主要用于飞行器姿态增稳控制)和位置。
研究人员将整个系统安装在一个实验平台上(该实验平台只对飞行器在水平面内的运动范围进行了限制),实现了自主悬停控制,使用的控制算法是Backstepping 。
最近,H MX4研究人员又开发了一套基于机载和地面双摄像头的视觉定位与定姿系统,进一步提高了测量的精度。
这种基于视觉的飞行控制方法可以很好地应用于一些特殊的任务,比如:在固定平台自主起飞与降落,与地面可移动机器人协同等。
GT MARS 是佐治亚理工大学面向火星探测任务而设计的C AD 无人机系统。
它重20kg ,旋翼半径0.92m ,续航时间30min 。
折叠封装的GTMAR S 随四面体着陆器登陆火星后,能自动将机构展开;能自主起飞和降落,巡航速度可达72km h ;另外,它还能返回到着陆器补充能量(着陆器装载有太阳能电池)。
1.3 微型四旋翼飞行器微型飞行器(MAV )从一开始就引起了人们极大的兴趣,斯坦福大学的Mesicopter 是目前世界上最著名、最重要的MAV 之一[9]。
Mesicopter 是斯坦福大学的研究小组在NASA 支持下,为研究微型旋翼飞行器技术而设计的。
机114 电光与控制 第14卷图5 HMX4 图6 GTMARS身为16mm ×16mm 方形框架;旋翼直径1.5cm ,厚度0.08mm ;电机直径3mm ,重量325mg 。
目前已经完成了试验样机在一竿臂上的离地起飞,进一步的工作仍在继续,最终目标是实现自主飞行和多飞行器协同完成具体任务。
图7 Mesicopter2 微小型四旋翼飞行器发展的关键技术 迄今为止,微小型四旋翼飞行器基础理论与实验研究已取得较大进展,但要真正走向成熟与实用,还面临着诸多关键技术的挑战。
2.1 最优化总体设计进行微小型四旋翼飞行器总体设计时,需要遵循以下原则:重量轻、尺寸小、速度快、能耗和成本低。
但这几项原则相互之间存在着制约与矛盾,例如:飞行器重量相同时,其尺寸与速度、能耗成反比[10]。
因此,进行微小型四旋翼飞行器总体设计时,首先要根据性能和价格选择合适的机构材料,尽可能地减轻飞行器重量;其次,需要综合考虑重量、尺寸、飞行速度和能耗等因素,确保实现总体设计的最优化。
2.2 动力与能源动力装置包括:旋翼、微型直流电机、减速箱、光电码盘和电机驱动模块,能量由机载电池提供。
微小型四旋翼飞行器的重量是影响其尺寸的主要因素,而动力与能源装置的重量在整个机体重量中占了很大比例。
对于OS4II ,该比例就高达75%[7]。
因此,研制更轻、更高效的动力与能源装置是进一步微小型化四旋翼飞行器的关键。
另一方面,动力装置产生升力时,消耗了绝大部分机载能量。
