动力系统 主体
控制系统
动力（锂电及充电器）
电子调速器
桨
机架
脚架
云台
手动控制
遥控接收器
遥控 主控
OSD（On Screen Display)
FPU
图传
图传接受器
GPS
监视器
飞行控制器
IMU
电子陀螺
LED状态显示
地面站
其它辅助设备：电台、Wifi模块等、增益天线、跟踪天线、HDMI转AV模块
一、多旋翼无人机概述
从广义上讲有翼导弹也可以算一种无人驾驶的飞机，但本报告 所提及的无人机主要是指没有驾驶员的飞机
广义无人机 狭义无人机
航模
一、多旋翼无人机概述
1.2 无人机分类及特点介绍
固定翼（fixed wing） 固定机翼+摆翼 自稳定系统 完整驱动系统 桨+助推发动机
续航时间长 飞行效率高载荷大
需长距离跑道
直升机（helicopter）
三、四旋翼研究现状
3.2 国外研究机构（三）
麻省理工： Abraham Bachrach, Nicholas Roy等人设计了一种能够完成室内定 位、建图和避障的四旋翼无人飞行器，该飞行器通过激光雷达获得 周围的环境信息，并通过SLAM(simultaneous localization and map building, SLAM)算法进行飞行器室内定位，并建立环境的3D地 图，根据环境信息进行障碍物判断和路径规划，进而在室内无法接 收到GPS信号的情况下进行自主飞行，并能够实现避障等功能。 研究重点：自主飞行、编队飞行 代表：Kinect Quadrocopter MIT（麻省理工和华盛顿大学合作）、 MIT Quadrocopter（麻省理工计算机科学和人工智能实验室）
三、四旋翼研究现状
3.2 国外研究机构（六）
DraganFlyer X4是美国Draganfly Innovation Inc.设计的一种超级 遥控摄像飞机，具有惊人的性能和良好的稳定性，它轻便小巧易于 携带，质量为680g，最大长度约77.5cm，有效载荷为250g。可用来 测量、工业测绘、军事侦察、空中摄影等；机载高性能处理器可以 运行数千行代码并且接收传感器（三个加速度计，三个陀螺仪，一 个气压传感器）输出的信息并加以处理。操作者使用手持式控制器 可以控制它飞行的方向、速度大小，也可以调整飞行的高度。可以 做到自动平衡， 4 定点悬浮，如果控制失效自动着陆系统，同时 这个设备可以通过无线向你的手机发射视频信号，可以通过控制器 实时进行放大查看等操作。
三、四旋翼研究现状
3.1 四旋翼研究历史
四轴飞行器的概念几十年前就已经出现，但是因为同时期的技 术水平限制，大型的四轴飞行器制造难度很高，性价比远远低于固 定翼飞行器和直升机飞行器，因此历史上前期一直没有大型的四轴 飞行器诞生；
2002年前后，随着微机电系统（MEMS）的成熟，以及电池和无 刷电机等技术的发展，电动微型（直径小于1米，重量小于2kg）四 轴飞行器被发现是一种效率极高的飞行器，引起了学术界极大的关 注；
可以垂直起降,不需要弹射器、发射架进行发射，可悬停、侧飞、倒 飞；
飞行高度低,具有很强的机动性,执行特种任务能力强； 结构简单控制灵活,成本低,螺旋桨小，安全性好,拆卸方便,且 易于维护。
二、四旋翼无人机概述
2.2 四旋翼飞行原理
四旋翼是一个4输入6输出的欠驱动系统
输入 四旋翼
输出 垂直运动 俯仰运动 滚转运动 偏航运动 前后运动 侧向运动
三、四旋翼研究现状
3.2 国外研究机构（四）
斯坦福： 斯坦福大学Gabriel M.Hoffmann, Steven W. Waslander, Michael P.Vitus等人设计了一种能在室外自主飞行的四旋翼无人飞行器，该 飞行器通过扩展卡尔曼滤波算法对GPS/INS/Ec提供的信息进行融合， 从而进行飞行器的稳定控制。该飞行器能够通过预先设定好的航路 点在室外完全自主飞行，并通过Wi-Fi将飞行参数和图像信息实时传 送回地面飞行控制站。 重点：自主航点跟踪、多机协同飞行 代表：
1.4 多旋翼控制系统改进历程
20世纪90年代之前，惯性导航系统一般是十几公斤的大铁疙瘩； 20世纪90年代之后，随着微机电系统（MEMS）研究的成熟，几克重 的MEMS惯性导航系统被制作了出来，使得多旋翼飞行器的自动控制 器可以做了； 但是MEMS传感器数据噪音很大，不能直接读出来用，于是人们又花 了一些年的时间研究MEMS去噪声的各种数学算法； 这些算法以及自动控制器本身通常需要速度比较快的单片机来运行， 于是人们又等了一些年时间，等速度比较快的单片机诞生； 接着人们再花了若干年的时间理解多旋翼飞行器的非线性系统结构， 给它建模、设计控制算法、实现控制算法； 直到2005年左右，真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出 来。
二、四旋翼无人机概述
2.3 四旋翼控制方法
PID控制 鲁棒控制 模糊控制 非线性控制 自适应神经网络控制
二、四旋翼无人机概述
2.4 四旋翼应用
航空摄影：摄像、照相等 农业：农作物监测、喷洒、牧群监测与驱赶 海岸警卫：搜寻、海岸巡逻、海界标监测 环境保护：污染及土地状况监测 海关与税收：非法走私监视 电力公司：电力传输线检查 消防与森林防护：火情检测、偶发事件控制 渔业：渔业保护 天然气与石油供给公司：地面监测、输油管路安全 信息服务商：新闻与图片、特殊野外生活图片 救生船协会：事故调查、导航与控制 地方政府：普查、灾害控制 城市服务：大气参数采集与检测、分析 交通管理部门：道路交通检测与控制 警察部门：失踪人员搜寻、安全与突发事件监视 普查机构：地理、地质、考古勘定 河道管理部门：水路即水情监测、洪水与污染控制 水务部门：水务与水管道监测
代表：E4、X4
三、四旋翼研究现状
3.2 国外研究机构（七）
MD4-200是德国microdrones公司研发的微型无人飞行器，机体和云 台完全采用碳纤维材料制造，这种材料拥有更轻的重量和更高的强 度，也使MD4-200具有抗电磁干扰的能力，如图1.2所示。飞行时间 不低于20分钟。MD4-200的核心是AAHRS（姿态、高度及航向参考系 统），集成了加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计、湿度计、温度 计等多种高精度传感器和卓越的控制算法，md4-200的操控因而变得 非常简单。可制定飞行航线规划，让飞行器按照预设的航线自动飞 行。采用选配的GPS系统能够实现空间位置锁定与自动航点导航功能， 还可以选择以microSD卡作为记录器的飞行记录仪来实时记录和分析 飞行数据，所有重要的飞行数据都可以下载到数据中心，包括电池 状态、高度、姿态、位置、飞行时间等，用于航后的数据分析。 MD4-200还具有安全保护措施以避免坠毁，它能够在电量不足和失去 控制信号时自主降落。
螺旋桨+旋翼 不稳定系统 完整驱动系统 发动机+桨（系统）
垂直起落 续航中 载荷中
结构复杂 维护成本高
注：飞艇及伞翼机不做重点介绍
多旋翼（multi-rotor） 多个旋翼
不稳定系统 欠驱动系统 电机+旋翼
垂直起落 结构简单
续航短 载荷小
一、多旋翼无人机概述
1.3 多旋翼飞行器的组成
电机
多旋翼飞行器
2005年之后小型四轴飞行器研究日趋成熟，一些商用产品开始 面世。
三、四旋翼研究现状
3.2 国外研究机构（一）
瑞士联邦理工学院洛桑/洛桑联邦理工学院（EPFL）
室内自主飞行、自动避障； 代表：OS4 研究的重点：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。 OS4I最大长度约73cm，质量为235g；它使用了DragardlyerIII的旋翼和十字 框架，4个Faulhaberl724电机，以及一个sense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、LQ、Backstepping、 Sliding-mode），实现了飞行器姿态控制。 OS4II的机身最大长度72cm，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LPK无刷电机BLDC；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； 2013年，EPFL教授Raffaello D'Audrea的团队（Federico Augugliaro/Dario Brescianini/Markus Hehm/Sergei Lupashin/Mark Muller/Robin Ritz)在TED 展示了其四旋翼飞行器。
三、四旋翼研究现状
3.2 国外研究机构（八）
AR.Drone直升飞机是法国派诺特（Parrot）公司开发的一款飞行器 AR.Dron类似于一款无人驾驶直升机，拥有四个独立旋翼，操作员可 以使iPad、iPhone、和iPod Touch上的软件对其进行飞行控制操作。 由于整个飞机的操作都是基于飞机自身发出的Wi-Fi信号，因此操控 距离可达50米。该飞行器的下方还加装有重力感应装置、陀螺仪、 机械控制芯片等部件，利用智能飞行技术可以纠正风力和其他环境 误差，平衡AR.Drone的飞行速度和角度。这款航模的驾驶舱前部安 装有一个摄像头，可以将第一人称视角的画面通过Wi-Fi信号传回 iPad(或iPhone、iPod Touch)，这样就能在iPad上看到逼真的模拟 驾驶舱画面，而Parrot公司还提供有SDK，游戏开发者可以针对该产 品设计开发虚拟空战游戏。
STARMAC I是由Draganflyer III改造而成，地面站通过无线控制四旋翼飞行器飞行， 机载电子单元完全由斯坦福大学自主设计研发的电路板取代，集成了自主飞行时所需 要的测量和通信功能。STARMAC I使用GPS和惯导传感器可以跟踪预定航点轨迹飞行。 STARMAC II是STARMAC I的改进型，采用碳素纤维结构，推力更大，飞行时间更长， 在飞行过程中能自主控制高度和姿态，主要应用于复杂环境中搜索、营救、监视和网 络中移动传感器。STARlMAC工程的目的是四旋翼系统有可靠的、完全自主的航点跟踪 能力，使其成为一个测试平台，具备多飞行器协同飞行水平。