固定翼无人飞行器是发展最早的一类无人飞行 器，技术上相对成熟，在过去的二三十年中也得到 了很好的军事应用，并已经在美英等国的数次军事 行动中得到了体现。与固定翼无人飞行器相比，旋 翼无人飞行器的发展要缓慢得多，主要是由于旋翼
无人飞行器的控制相对固定翼无人飞行器更为复 杂。但是，旋翼无人飞行器却有固定翼无人飞行器 无可比拟的优点： 能够适应多种复杂环境，特别是 一些狭小的场所； 具备自主起飞和着陆能力，高度 智能化； 能以各种姿态飞行，如悬停、前飞、侧飞 和倒飞等。这些优点决定了旋翼无人飞行器比固定 翼无人飞行器具有更广阔的应用前景［2］。四旋翼无 人飞行器是一款研究比较热门的旋翼无人飞行器， 与其它旋翼无人飞行器相比，四旋翼无人飞行器不 需要专门的桨（ 尾桨） 来抵消反扭矩以保持无人飞 行器平衡，并且机动性更强，效率更高，更易控制。 在欧美等发达国家已经开始运用四旋翼无人飞行器 执行军事侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等任 务，在地震救灾、考古、水利、农业、电力等民用方 面也能看到其所发挥的巨大作用。2012 年，洛马公 司下属的 Procerus 技术公司推出了一种小型垂直起 降无人机，可以在短短几分钟内为身处窄小杂乱城 市环境中的战士、突击部队或其他人员提供空中视 野。四旋翼 无 人 飞 行 器 的 研 究 还 处 于 初 级 发 展 阶 段，随着新材料技术、嵌入式技术、微传感器技术、 MEMS、MIMU 以及控制、导航理论的发展，四旋翼 无人飞行器得到了迅速的发展。但是，四旋翼无人 飞行器要走向实用化，亟需解决的问题还很多，还 有很长的路要走。
MD4-200 是德国 Microdrones 公司研制的一种 全球领先的垂直起降微型自动驾驶无人飞行器系 统，可用于执行资料收集、协调指挥、搜索、测量、 通讯、检测、侦察等多种空中任务。机体采用了碳 纤维材料，AHHＲS（ 高度、姿态和航向参考系统） 是 该机的核心部件，该系统集成了加速度计、陀螺仪、 磁强计、气压计等多种传感器。无人飞行器具有非 常低的运转噪声，该机上装有 GPS 导航定位系统， 并且配有数传、图传电台以及相应的地面控制站系 统，无人飞行器上的 SD 卡可以记录实时的飞行数 据，如图 3 所示。
1． 2 基于 GPS 的自主定位导航四旋翼无人飞行器 GPS 导航定位系统建立的初衷就是为了给军用
设备进行定位与导航，之后逐步发展到民用设备， 现在 GPS 导航定位系统随处可见。随着无人飞行器 的发展，GPS 导航定位系统也应用到了无人飞行器 上，美国的捕食者、全球鹰能在数次局部战争中立 下汗马功劳，GPS 功不可没。同样，对于四旋翼无 人飞行器的室外定位与导航，GPS 也是必不可少的 装备，其中的典型代表是德国 Microdrones 公司的 MD4-200 和斯坦福大学的 STAＲMAC 四旋翼无人飞 行器。
3） 航迹规划。传统的无人飞行器航迹规划算法 都是基于数字地图的，在数字地图中，无人飞行器 可以当作一个质点来看待［10］。与之相比，四旋翼无 人飞行器在室内特征地图中虽然也是当作质点来 看，但是这时却要考虑四旋翼无人飞行器实际大小 的影响，避免其碰到墙、障碍物。虽然不需要考虑 ·28·
最大爬升角、最低飞行高度、目标进入方向这些约 束条件，但是室内房间、线段的约束、障碍物的约 束却也提出了一个新的挑战。
关键词 四旋翼 无人飞行器 室内 定位导 航 关键技术
引言 无 人 驾 驶 航 空 器 （ Unmanned Aerial Vehicle，
UAV） 也称无人飞行器，是一种装备了必要的数据 处理单元、传感器、自动控制器以及通信系统的不 载人飞行器，能够在无人干预的情况下完成自主飞 行任务［1］。
基于不同的外形与几何结构，无人飞行器可以 划分为四类： 固定翼、旋翼、扑翼以及其它非常规 无人飞行器。在这四类中，前两类无人飞行器的实 物研究比较多，属于现在的主流无人飞行器； 第三 类目前以理论研究为主，距离实际应用尚需时日； 非常规无人飞行器则处于初始，甚至是概念开发阶 段，很多方面均不成熟。
研究基于视觉图像的自主定位导航四旋翼无人 飞行器的典型代表有麻省理工学院和宾夕法尼亚大 学。
麻省理工学院的实时室内自主飞行器试验环境 主要用于多无人飞行器的协同控制与定位。
在该环境中使用了多架型号为 Dranganflyer V Ti 的四旋翼无人飞行器，为了能够对各个四旋翼无 人飞行器 进 行 定 位，每 个 飞 行 器 上 都 安 装 了 多 个 LED 灯，这些 LED 灯可以作为关键点被地面的摄 像头捕捉，这样就能得到四旋翼无人飞行器的位置 和姿态，也就能对四旋翼无人飞行器进行定位。四 旋翼无人飞行器的关键点信息通过 TCP / IP 协议传 给地面站，地面站再将这些信息解算成位置与姿态 信息，将这些信息进行融合得到航路规划信息，再 将航路规划信息转换为能对四旋翼无人飞行器进行 控制的指令，通过无线蓝牙模块将指令传给四旋翼 无人飞行器，完成对四旋翼无人飞行器的控制与导 航［3-5］，如图 1 所示。
2 关键技术 四旋翼无人飞行器的发展经历了从室外定位导
航到室内定位导航的飞跃，现在尤其是室内导航， 还有很大的发展空间。2013 年国际空中机器人大赛 （ 亚太赛区） 就是旨在提升无人飞行器在密闭空间 中（ 室内） 完全自主飞行的能力，大赛的任务概要是 由参赛队伍制作的无人飞行器进入一个情报机构警 卫室（ 如图 6 所示） ，避开警卫人员，拿到 U 盘，然 后用一个相同的 U 盘替代。无人飞行器的总质量不 能超 过 1． 5 kg，比 赛 场 地 尺 寸 为 30 m × 15 m × 2． 5 m，且被分成了数个小房间，同时在走廊布 设不同高度的障碍物，起飞地点定在朝向起飞走廊 开口（ 1 m × 1 m） 的 3 m 范围之内。此次比赛是在室 内进行，传统的室外精度较高的 GPS 根本无法使 用 ，为 了 完 成 任 务 ，四 旋 翼 无 人 飞 行 器 有 许 多 关 键
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无人机
图 6 国际空中机器人大赛比赛场地示意图
性技术需要突破。 1） 特征检测。室内环境大多是结构化或半结构
化的环境，这样的环境都是由线段构成的，四旋翼 无人飞行器在室内进行定位与导航依赖环境中的墙 角、边角等特征点。而激光采集的数据仅仅是一组 分立的点，如何从这些数据中将定位、导航与地图 创建所需要的特征点与特征线段快速、准确地检测 与提取出来是后续工作的关键。
2） 定位、导航与建图。小型四旋翼无人飞行器 在室内定位导航时，GPS 一般是不能正常工作的， 此时只能 依 赖 其 它 定 位 导 航 传 感 器，如 激 光 测 距 仪、摄像头、磁力计、超声波传感器等，如何将这 些传感器采集的数据结合起来解算得到四旋翼的位 姿并对其进行导航是一大难题，而且各种传感器对 环境的敏感程度、抗干扰能力也不一样，除了需要 对数据进行处理，找出最优的定位导航算法，还需 要针对各种环境制定出最优的定位导航策略。
5） 实时性。在四旋翼无人飞行器的定位导航 中，无论是用基于 GPS 的方法还是基于无 GPS 的 方法（ 激光、视觉） ，各种传感器输出的巨大数据 量、机载处理器工作频率不够等一系列问题使得四 旋翼无人飞行器都需要把飞行器上的大部分数据传 输到地面站上处理，之后再由地面站发指令给飞行
飞航导弹 2014 年第 8 期
目前，国外四旋翼无人飞行器在基于 GPS 定位 导航自主飞行方面已经取得了不错的成绩，但是在 基于视觉、基于激光测距仪的定位导航方面还有很 多困难。
图 4 STAＲMACⅡ无人机
1． 3 基于激光测距仪的自主定位导航四旋翼无人 飞行器
基于激光测距仪的自主定位导航四旋翼无人飞 行器的发展相对于前两类更晚，这其中的典型代表 是由德国的 Ascending Technologies GmbH 公司生产 飞航导弹 2014 年第 8 期
DOI:10.16338/j.issn.1009-1319.2014.08.003
无人机
室内四旋翼无人飞行器定位导航 的研究现状与关键技术
肖支才 姜 鹏 戴洪德 康宇航ห้องสมุดไป่ตู้
摘 要 随着新材料技术、嵌入式技术、微传感器技 术、微机电( MEMS) 、微惯性测量单元( MIMU) 以及控制、 导航理论的发展，四旋翼无人飞行器得到了迅速的发展。首 先，从定位导航采用的技术出发，介绍了目前国外在该领域 最新的研究情况。结合室内四旋翼无人飞行器的特点，着重 分析了特征检测、定位导航与建图、航迹规划、能源供给、 实时性等关键技术。最后，对室内四旋翼无人飞行器的未来 发展、应用前景做了展望。
四旋翼无人飞行器质量轻、载重小、续航能力 差的特点决定该无人飞行器主要是在低空的近地面 进行短航时工作，如室内、峡谷、树林等。由于地 形复杂、噪声大，在这种环境中使用 GPS 进行定位
本文 2014-04-11 收到，肖支才系海军航空工程学院副教授、姜鹏系海军航空兵学院副教授
飞航导弹 2014 年第 8 期
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导航 是 不 可 靠 的，所 以，四 旋 翼 无 人 飞 行 器 在 无 GPS 环境中的导航成了一个亟需解决的难题。
1 国外研究现状 目前，世界上用来进行定位导航的四旋翼无人
飞行器一般可以分为三类： 基于视觉图像的自主定 位导航四旋翼无人飞行器、基于 GPS 的自主定位导 航四旋翼无人飞行器、基于激光测距仪的自主定位 导航四旋翼无人飞行器。 1． 1 基于视觉图像的自主定位导航四旋翼无人飞 行器
4） 能源供给。四旋翼无人飞行器的能源供给分 为汽油供电与电池供电，汽油供电主要是对于大型 的四旋翼无人飞行器，这种四旋翼无人飞行器主要 是通过遥控来控制的，多用来进行航拍； 而小型四 旋翼无人飞行器由于具有质量限制，所以只能选用 电池供电。小型四旋翼无人飞行器的总质量是一定 的，如果选用供电量更足的电池，则电池所占飞机 的总质量比重就会更大，这样对其它机载传感器、 微处理器的选择就会有很大的限制； 而如果选用供 电量小的 电 池，电 池 所 占 飞 机 总 质 量 的 比 重 减 小 了，这样机载传感器、微处理器的选择有了更大的 余地，但是这也势必会影响四旋翼无人飞行器的续 航时间。因此，选用的电池需要权衡这两者，找出 最合适的能源供给方案。