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无人机研发报告

飞行器可用于民用事业、满足国防需求，也可以开发和利用航空资源，国内

外对飞行器都进行了大量的研究飞行器的研究主要分为三个类型，固定翼机、旋

翼机和扑翼机。无人飞行器（UAV）自主飞行的技术多年来一直是航空领域研

究的热点，并且在实际应用中存在大量的需求，例如军事（侦察目标捕获与营

救任务等），科学数据采集（地质、林业勘探、农业病虫害防治等），视频监控（航

拍FPV、影视制作等）等。利用无人飞行器来完成上述任务可以大大降低成本和

提高人员安全保障。四轴飞行器具备VTOL(VerticalTake-OffandLanding，垂直

起降)飞行器的所有优点，又具备无人机的造价低、可重复性强以及事故代价低

等特点，具有广阔的应用前景。它是无人飞行器（UAV）的一种特殊机型，其具

有十字排列的四个螺旋桨方便起飞与控制，在低空低速状态，可以在狭小的空间

里执行任务。与其他无人机比较，由于结构简单，方便携带且维护成本低。无人

自主飞行平台能够自主飞行并完成相应任务，与通用有人飞机相比，其造价低廉，

可维护性，使用费用都具有明显优势。在近年来的历次战争中，发挥着重要作用，

在民用方面与救灾领域运用前景广阔，例如无人机可在发生灾害后及时实施监控

灾情，对救灾和灾害处理产生有益影响。因此对于四轴飞行器的研究具有重大的

现实意义。

四旋翼结构最早在20世纪初就已经出现，对于当时的科技水平人们尝试了

许多方法，都没很好的完成控制飞行。直到上世纪90年代，随着微型计算机、

传感器、通讯技术、能源以及控制理论的发展，给四旋翼的发展带来了质的飞跃，

四旋翼的研究已经成为时代的热点。

20世纪90年代之后，随着微机电系统（MEMS）研究的成熟，几克重的

MEMS惯性导航系统被制作了出来，使得多旋翼飞行器的自动控制器可以做了。

但是MEMS传感器数据噪音很大，不能直接读出来用，于是人们又花了一些年

的时间研究MEMS去噪声的各种数学算法。这些算法以及自动控制器本身通常

需要速度比较快的单片机来运行，于是人们又等了一些年时间，等速度比较快的

单片机诞生。接着人们再花了若干年的时间理解多旋翼飞行器的非线性系统结

构，给它建模、设计控制算法、实现控制算法。

因此，直到2005年左右，真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出

来。之前一直被各种技术瓶颈限制住的多旋翼飞行器系统突然出现在人们视野

中，大家惊奇地发现居然有这样一种小巧、稳定、可垂直起降、机械结构简单的

飞行器存在。一时间研究者趋之若鹜，纷纷开始多旋翼飞行器的研发和使用。

四旋翼飞行器是多旋翼飞行器中最简单最流行的一种。如上所述，最初的一

段时间主要是学术研究人员研究四旋翼。2010年，法国Parrot公司发布了世界

上首款流行的四旋翼飞行器AR.Drone。作为一个高科技玩具，它的性能非常优

秀：轻便、灵活、安全、控制简单，还能通过传感器悬停，用WIFI传送相机图

像到手机上。

现在的四轴飞行器设计主要是基于经典PID和互补滤波算法的控制系统，

飞行器飞行控制算法的设计一直是控制领域众多研究者最关心和最关键的问题

之一。传统的控制策略是在飞行器系统的某个特定作用点上首先将系统模型线性

化，然后在此基础上运用经典控制理论对系统进行分析和控制，控制精度和控制

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能力相对偏弱。相比之下，运用现代非线性控制理论设计的控制算法，其性能明

显优于经典控制算法。

总的来说，国内外对于四旋翼的研究主要集中在两个部分，其中一