四旋翼无人直升机飞行控制系统设计(3)
本类似，组成主要包括在中央的主机身、机身杆、动力系统、辅助设备、负载等。为了保证
飞行的稳定性，在四旋翼飞行器上一般安装 3 个方向的陀螺仪和加速度传感器，以测量计算
飞行器相对地面的姿态以及加速度、角速度，再通过飞行控制系统，调控 4 个电机输出的功
率，以达到控制的目的。
作为一个研究的热点，目前我国开展四旋翼飞行器研究的单位已经逐渐增多，并取得了
一系列成果。进行该方面研究的高校主要有国防科技大学，北京航空航天大学[2]
、哈尔滨工
业大学、上海交通大学，南京理工大学等高校还有大疆、百度等公司。国防科技大学应用反
步法和自抗扰控制进行了四旋翼无人飞行器的仿真。哈尔滨工业学、上海交通大学应用反步
法对四旋翼飞行器进行了控制算法的仿真研究，填补了国内相关方面的空白，南京理工大学
工程实验中心也进行了相关研究。大疆创新与百度公司正在研究三文红外运动捕捉系统以实
现多旋翼无人机的精确飞行定位。
1.3 背景意义
四旋翼飞行器在军用和民用方面都有广泛的用途，如在军事领域可以用于物质运输、电
子干扰、情报获取、定点清除、对地攻击等等；在民用领域，可以代替人在危险的区域作业
和农业使用。四旋翼灵活的飞行姿态，优越的悬停和低速性能，是其成为研究的热点。
由于四旋翼飞行器具有很多优点：如能适应多种复杂的环境；而且现已经能做到良好的
自主起飞和着陆能力；能以各种姿态飞行，这些优点决定了四旋翼飞行器广泛的应用前景。
目前在军事上已经开始大量运用四旋翼无人飞行器执行相关方面的任务，而且四旋翼飞行器
在民用领域应用也同样极为广泛，如农业，商业，而四旋翼飞行器作为航拍工具更是常见，
现在进行的无人机编队飞行有着广阔的应用前景，并且已经在技术上得以实现。近年来在我
国这些方面也有了长足的进步，前不久亚马逊公司，开始了用无人机邮寄包裹的服务，另外
中国深圳的大疆创新公司的崛起，并被称为中国的苹果公司。可四旋翼飞行器正在兴起，主
要是得益于最近十来年高性能硬件设备，嵌入式系统、传感器、新材料等相关技术的飞速发
展，以及近些年强烈的需求。目前相关的研究主要集中在微小型四旋翼无人飞行器方面，现
阶段正在研发的机型翼展一般都在一米以下。随着新材料技术、嵌入式控制技术、微传感器
技术、导航控制理论的发展，四旋翼无人飞行器也随之得到了迅速的发展[3]
，需要研究的技
术难题仍然很多，还有很长的路要走。 1.4 当前研究的主要问题及难点
进行四旋翼飞行器的研究的前提条件是建立精确的数学模型，四旋翼飞行器的动力学特
性相对较为简单，是非线性，半耦合的动力学模型[4]
。四旋翼飞行器有 4个电机转速输入量，
输出量为 6 个位置状态量和 6 个姿态状态量，所以一般认为是欠驱动系统。在工程上对四旋
翼飞行器建模中，一般忽略其四旋翼飞行器的弹性振动及变形[5]
，在一定的假设条件下对模
型进行简化处理，虽然简化条件下的数学模型变得更利于计算机运算，但这样必然会降低其
精确性。对四旋翼飞行器的研究目前处于中期，虽然近年来对四旋翼飞行器的研究获得了极
大突破，但对其的空气动力学特性还不像导弹和固定翼飞行器那样研究透彻，新的研究手段
和分析理论仍在发展之中。
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