1.6  研究难点及关键技术

1.6.1  四旋翼飞行器的控制难点

    四旋翼式无人飞行器的控制的难点主要体现在三个方面：

   （1）对四旋翼飞行器进行精确建模是非常困难的，常见的四旋翼模型基本上都有不确定性；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，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、准确的动力学模型。另外，当四旋翼飞行器的负载改变时，其质量也会发生变化；而对于使用汽油作为动力源的四旋翼式无人飞行器，它在飞行过程中由于燃料的消耗，质量是不断变化的；质量不确定性将大大增加了控制器设计的难度。

   （2）微小四旋翼式无人飞行器是个欠驱动系统，其控制设计比一般全驱动系统要难得多。此外，它还具有多变量、非线性、强耦合等特性，这使得飞行控制系统的设计变得非常困难。

   （3）由于四旋翼飞行器载荷较小，难以搭载较多得传感器，对四旋翼式无人飞行器进行状态测量是比较困难的，精度也不好；这对系统的控制稳定有很大的影响。

    这些问题的解决将极大的促进四旋翼式无人飞行器在生活和工业中的应用，这也是进行四旋翼式无人飞行器研究的意义。论文网

1.6.2  四旋翼飞行器发展的关键技术

    四旋翼飞行器相关技术的研究成果斐然，涌现了一批技术上较为成熟的飞行器，并已实际应用于空中摄影、侦察监视等，但还要在一些关键技术上实现突破。

   （1）数学模型的建立

    四旋翼飞行器的飞行动力学数学模型，是四旋翼飞行器飞行控制系统设计和仿真研究的基础。四旋翼飞行器是一个非线性、多变量、高度耦合的欠驱动系统（under-actuated system）。为实现对四旋翼飞行器这一欠驱动系统的有效控制，必须准确建立其在各种飞行状态下的数学模型。但是飞行过程中，它不仅同时受到多种物理效应的作用(空气动力、陀螺效应和旋翼的转动惯量矩等)，还很容易受到气流等干扰。因此，难以准确建立可靠的动力学模型。

   （2)能源供给系统

    机载锂电池提供四旋翼飞行器的能源供给。四旋翼飞行器要实现垂直起降，飞行器的起飞重量最大只能是旋翼推力总和的83%至85%，使飞行器的有效载荷大大受到限制。电池的局限性影响四旋翼航程和飞行半径。电动四旋翼飞行器的极限飞行时间目前国际上是40 分钟左右，微型化可能续航时间长点，但是带来的是抗风性能的减弱。燃油驱动是四旋翼飞行器实现超长时间续航的保证。

   (3)飞行控制算法

    四旋翼飞行器的控制主要是解决强耦合性和不稳定的动力特性。四旋翼飞行器是一个具有六自由度和四个控制输入的欠驱动系统，具有对外界和自身抗干扰敏感的特性，使得飞行控制系统的设计变得非常困难。此外，控制器性能还将受到模型准确性和传感器精度的影响。姿态控制是整个飞行控制的关键，如果能精确控制飞行器姿态，则采用PID 控制律就足以实现其位置与速度控制。国际相关研究都着重进行了姿态控制器的设计与验证，结果表明：尽管采用非线性控制律能够获得很好的仿真效果，但由于对模型准确性有很强的依赖，其实际控制效果反而不如PID。因此，研制既能精确控制飞行器姿态，又具有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制器是四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急。要保证四旋翼飞行器的飞行稳定性和可靠性，必须设计采用优秀的飞行控制算法。目前有多种控制算法应用于四旋翼飞行器，如PID、PD、L Q、反演控制、 滑模控制、神经网络控制、鲁棒控制等。