四旋翼无人直升机飞行控制系统设计(2)
3.5.1 姿态角的参数整定与仿真 28
3.5.2 位置控制的参数整定与仿真 29
3.6 两种控制方法的对比分析 . 32
3.7 航迹指令的跟踪特性分析 . 33
3.7.1 典型输入信号的跟踪特性分析 33
3.7.2 典型航迹指令的跟踪特性 35 第 II 页
3.8 本章小结 . 37
结论 39
致谢 40
参考文献 41
1 绪论
1.1 引言
最初的无人机的研究方向主要是无人固定翼飞机，其无论在结构上还是控制算法上体系
都已经非常成熟，特别是在军事领域突出的体现了其优越性，从美国大片中无人机一展身手
的片段中可见一斑。由于技术原因，在上个世纪垂直起降飞行器在研制上存在较多困难，所
以旋翼类无人机的研制远远落后于固定翼类。但是旋翼类无人机所具有的机动性能及其较强
的环境适应能力，让它拥有更广阔的应用前景。得益于技术的突破和广泛的用途，旋翼类中
的四旋翼成为近年来研究的重点。
四旋翼，国外又称Quadrotor，Four-rotor helicopter等等。目前认为四旋翼直升机是无人
飞行机器人分类中的一种，其具有机动性好、控制灵活、稳定性好等优点。四旋翼是一种特
殊的旋翼型飞行器，它的特点是具有四个螺旋桨且螺旋桨的位置呈十字形交叉结构，交叉相
对的旋翼具有相同的旋转方向。所以其四只旋翼可以相互抵消反扭力矩，这样就不需要像直
升飞机那样具有专门的反扭矩桨。
1.2 研究现状
世界上第一架有正式记载的四旋翼飞行器是在 1907 年，如上文所叙述是由法国的
Breguct-Richet 兄弟设计并制造的，按现在的评价标准，该机体型巨大仅可载重一人，无飞行
操作系统与控制系统，因此稳定性和动态性能都很差。在设计出7年后，1924 年这种飞行器
才首次成功实现了 1km 的飞行。1922年，George De Bothezat 设计并制造出一架重量达626
公斤的巨型四旋翼飞行器，与第一架四旋翼飞行器相比，这架四旋翼飞行器加装了飞行操作
系统，安装有油门调节器来控制旋翼的转速，并成功试飞，但由于其笨重的结构，复杂的机
械操纵系统，其研究没有继续进行。在 1956 年 Kpalan 设计制造出新的四旋翼，于以前的四
旋翼飞行器相比具有较大进步，但由于种种原因，这项研究也没有继续进行[1]
。这种飞行器
尽管结构简单，设计制造成本较低，但飞行却难以控制，需要自动驾驶仪和导航系统来控制
飞行姿态。由于飞行器设计中的技术难题，比如说控制系统体积庞大，重量较大，四旋翼在
以后的几十年中进展缓慢，但进入 21世纪以来随着技术的进步与关键技术的突破，如微系统，
传感器以及控制技术的发展，各国的研究机构在四旋翼飞行器的领域取得了显著的进步，取
得了很多突破性的成果，并诞生了一系列相关产品。
现在一般将四旋翼飞行器分为三类：遥控航模四旋翼、微型四旋翼以及小型四旋翼飞行
器。遥控航模四旋翼直升机的典型代表是美国 Draganflyer 公司，其研制的最新产品为Draganflyer VTI，主要应用于航拍领域。在微小型四旋翼直升机方面，典型代表是斯坦福大
学的研究小组设计的 Mesicopter，该机尺寸很小。在小型四旋翼飞行器方面，典型代表是瑞
士洛桑联邦理工大学（EPFL）所开发的 0S4 系列小型四旋翼直升机。四旋翼机身组成大体基
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