关于四旋翼飞行器
西安电子科技大学
傅丰林
2017-12-16
目录
一、为什么要出四旋翼飞行器题 二、我国高等学校四旋翼飞行器教学 与国外的差距
一、为什么要出四旋翼飞行器题
1.21世纪科学技术发展特点 21世纪是科学技术突飞猛进的时代,各学科间相互 交叉、相互渗透进一步深化,科学技术综合化、整体化 的趋势日益增强。协同创新、交叉融合、群体突破、系 统集成演进趋势更加突出，充分体现了“学科交叉、技 术融合”的学术特点。 21世纪科学技术发展的突出特点是:高速度发展,高 起点探究,短周期转换,综合化趋势,大科学体系。四旋 翼飞行器涉及计算机学科、自动控制、信息与通信工程、 机械工程等学科。小型无人机主要技术内容如图1所示。
第一，微小型四旋翼飞行器是一个具有六自由度 (位置与姿态)和4个控制输入(旋翼转速)的欠驱动系统， 其控制设计比一般全驱动系统要难的多。此外，它还具 有多变量、非线性、强耦合等特性，这使得飞行控制系9
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统的设计变得非常困难。比如飞行器在转弯或横向运动 时，飞行器倾斜，此时升力在水平方向产生分力，垂直 方向上的分力减小，如何控制保持飞行器在垂直方向上 高度不变。
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飞行器的性能，提高飞行器的智能水平。因而传感器智 能化是传感器技术发展的重要方向。
（2）自主控制技术 条件不确定的前提下，将最优 化求解问题近实时或者实时地予以解决，是自主控制目 前面临的最大挑战。而高智能化以及高自主控制是未来 四旋翼飞行器的发展方向。未来的发展要求中，四旋翼 飞行器必须能够依照设定的航路自主完成任务，并能够 依照形势，自主的控制决策，这就要求飞行器具备一定 的复杂问题处理能力，能够在不确定性的条件中自主决 策。飞行器的自主控制的核心技术便是人工智能，人工 智能技术水平的高低直接决定了飞行器的自主控制水1平3 。
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而在这一问题上，仿生感知、仿生控制成为了自主控制 技术发展的转折点。（仿生学是指模仿生物建造技术装 置的科学，它是一门新的边缘科学）
（3）多机编队协同控制技术 在任务的执行过程中， 飞行器由于各类主客观原因会有所损失。若仅仅只有单 飞行器执行任务，那么一旦出现突发情况，飞行器不得 不脱离任务，致使任务失败。但是若执行任务的飞行器 有多个，以编队的 方式执行任务，那么出现单个飞行 器脱离任务，只会影响任务完成度。无人机在编队飞行 中，通过共享信息可以随时变化队形，并自主灵活地应 对突发事件，另外还可以在队伍中编入备用飞行器，1以4
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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。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，目前四旋翼飞行器 主要用途如下：
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。 无人员伤亡风险；生存能力强，机动性能好，使用方便， 在现代战争中有极其重要的作用。
第二，四旋翼飞行器的自稳控制。飞行器在飞行过 程中同时受到多种物理效应的作用，比如受到气流等外 部环境的干扰。操纵者很难及时进行调整，这需要飞行 控制系统自动进行相应的调整。另外，当四旋翼飞行器 的负载改变时，其质量也会发生变化。例如喷洒农药的 农用四旋翼无人飞行器，它在实施作业的飞行过程中由 于农药不断的消耗，飞行器的重量是在不断变化的。1如0
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工业应用：电力巡线、电力架线、矿产勘探、气体 泄漏检测、建筑工地的计划和监视、场地和基础设施安 全等。
商业应用：物流、餐饮服务、旅游、保险行业、新 闻和广告、摄影、摄像、影视剧拍摄、三维测绘等。
3. 四旋翼飞行器的技术难点技术难点，主要体现 在三个方面：
警察应用：人质解救和人员搜救、嫌犯和失踪人口6
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查找、交通和人群控制、监视、情报和证据收集、反恐、 处理突发事件等。
政府应用：森林防火、国土监管、气象灾害、地质 灾害、灾后救援（航拍）、城市规划、测绘、国土资源 勘探、医疗、病虫害防治、防汛抗旱、海事监测等。
四川凉山“悬崖村”首次迎来无人机“流动诊所”， 所载常备药品将用于补充村医务室的药柜。
一、为什么要出四Βιβλιοθήκη 翼飞行器题何保持飞行器在高度方向上不发生改变。这些不确定性 将大大增加了控制系统设计的难度。
第三，由于四旋翼飞行器有效载荷较小，难以搭载 较多的传感器，对四旋翼无人飞行器进行状态测量是比 较困难的，精度也不高；这对系统的控制稳定有很大的 影响，大大限制了四旋翼飞行器的发展。
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图1 小型无人机主要技术内容 4
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2. 四旋翼飞行器的应用 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。相对于直升机，其稳定性好、灵活性好，但控制 系统复杂。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，投入商 业应用。 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5
4.四旋翼飞行器技术发展方向 （1）智能传感器技术 智能传感器带有微处理机， 具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与 微处理机相结合的产物。与一般传感器相比，智能传感 器具有以下特点：通过软件技术可实现高精度的信息采 集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多 样化；高可靠性和高稳定性。飞行器战场上实际应用， 需要携带电视摄像机、红外、激光等各种超轻重量的传 感器，其感知系统由多个传感器集合而成，采集的信息 需要计算机进行处理，使用智能传感器就可以将信息分 散处理，从而降低成本。采用智能传感器可进一步提1升2