1.2  四旋翼飞行器的历史和发展现状

1.3  四旋翼飞行器的特点

微型四旋翼式无人飞行器的模型是一种典型的欠驱动系统，它只有4个输入作用，却产生6个自由度运动方向。所谓欠驱动机械系统是指激励数目少于系统变量数目的机械系统，即指控制输入的数目少于系统自由度的机械系统。四旋翼飞行器欠驱动系统的欠驱动特性主要是由统的动力学特征造成的。四旋翼飞机的输入量为四个螺旋桨产生的升力，也可以转化为三个方向的转矩和一个上升力，但是系统的自由度包括x,y,z方向的位移以及飞行器在空中的姿态（俯仰角，滚转角以及偏航角）。相对全驱动系统而言，欠驱动系统的控制设计更为复杂。

除了欠驱动的特性外，四旋翼飞机还是静不稳定系统，需要随时对系统进行控制才能保证飞行器的平衡。因此长期以来四旋翼飞行器都是由经验丰富的遥控手进行控制，他们利用长期积累的经验，通过目测飞行器在空中的姿态和位置，结合经验预测出飞行器将来的走势，及时调整四个螺旋桨的转速，将飞行器调整到平衡状态并飞行至期望的位置。这种操作不仅需要遥控手具有高于常人的反应和判断能力，而且还需要长期的训练，并且在日常训练中需要全神贯注注意力高度集中，稍有大意就会造成飞行器的毁坏，甚至危及操作手以及周围人群的生命安全。

微型四旋翼与传统的旋翼式直升机不同，它只能够通过改变螺旋桨的旋转速度来实现各种动作，而不能改变螺旋桨的叶片的倾角。四旋翼两对螺旋桨的旋转方向是相反的，用来抵消相互产生的扭矩。升力和运动的产生则通过改变旋翼的速度来改变的。与固定翼飞行器相比，四旋翼飞行器能够垂直起降并且具有悬停功能。与传统的单旋翼直升机相比，四旋翼飞行器没有尾桨，能量的利用率更高[9]，而且更加安全，适合室内飞行。由于四旋翼飞行器在结构上是完全对称的，所以对它来说没有严格意义上的前后左右的区别，它可以沿任何方向起飞,在飞行过程中的转向也具有更大灵活性。四旋翼直升机通过平衡四个旋翼产生的力来实现稳定的盘旋和精确的飞行，相对于一般的单旋翼直升机它可以采用更小的旋翼，进而使飞行变得更加安全，不至于使裸露在外面的旋翼很容易刮到周围物体而坠毁。

微型四旋翼式无人飞行器另外一个运动特性是飞行状态的高度耦合性，一个旋翼速度的改变将导致至少三个自由度方向上的运动变化。例如，减小左侧面螺旋桨的速度，导致左右升力出现了不平衡，从而使得直升机向右偏航；同时因为左右为一组的螺旋桨和前后为一组的螺旋桨产生的力矩出现了不平衡，还会使得直升机向左偏航；此外，滚动还将会导致直升机向左的平移，因为此时螺旋桨的力是指向左方和下方的。

除此之外，在飞行器的实际应用中对模型参数的确定也是一个难点，对四旋翼飞行器进行精确建模是比较困难的，常见的四旋翼式无人飞行器的动力学模型基本上都有不确定性：这是因为飞行器在飞行过程中同时受到多种物理效应的作用，比如：空气动力、重力和陀螺效应等，还很容易受到气流等外部环境的干扰，这样就很难获得准确的气动性能参数，用来建立有效、精确的动力学模型。另外，对于使用汽油作为动力源的四旋翼式无人飞行器在飞行过程中的质量是不断变化的，它的模型还存在质量不确定性这也大大增加了控制器设计的难度。

微型四旋翼式无人飞行器在模型上还有非线性，多变量，存在不确定性等特点。虽然四旋翼飞行器有它的局限性，但其优越性是更突出的，具有很大的发展潜力。