1.3　四旋翼飛行器技術關鍵

1.3.1　總體設計優化

進行微小型四旋翼飛行器總體設計時，需要遵循以下原則：質量輕、尺寸小、速度快、能耗和成本低。但這幾項原則相互之間存在著制約與矛盾，因此進行四旋翼飛行器總體設計時，首先要根據性能和價格選擇合適的機架材料，盡可能地減輕飛行器質量；其次要綜合考慮質量、尺寸、飛行速度和能耗等因素，確保實現總體設計的最優化。

1.3.2　能源動力系統

動力裝置包括旋翼、微型直流電機、電調等，能量由機載電池提供。四旋翼飛行器的質量是影響其尺寸的主要因素，而動力與能源裝置的質量在整個機體質量中占了很大比例。對于OS4 Ⅱ，該比例就高達75%。因此，研制更輕、更高效的動力與能源裝置是進一步微小型化四旋翼飛行器的關鍵。另外，動力裝置產生升力時消耗了絕大部分機載能量。例如，OS4 Ⅱ的電能有91%被動力裝置消耗。要提高飛行器的效率，關鍵在于提高動力裝置的效率。除盡量提高機械傳動效率外，還必須選擇合適的電機與減速比，在兼顧最大效率和最大輸出功率兩項指標的前提下，將電機工作點配置在推薦運行區域內。

1.3.3　建立數學模型

為實現對微小型四旋翼飛行器的有效控制，必須準確建立其在各種飛行狀態下的數學模型。但在飛行過程中，它不僅同時受到多種物理效應的作用（空氣動力、重力、陀螺效應和旋翼慣量矩等），還很容易受到氣流等外部環境的干擾。因此，很難建立有效、可靠的動力學模型。此外，所使用的旋翼尺寸小、質量輕、易變形，很難獲得準確的氣動性能參數，也將直接影響模型的準確性。

建立四旋翼MAV數學模型時，還必須深入研究和解決低雷諾數條件下旋翼空氣動力學問題。微型飛行器空氣動力學特性與常規飛行器有很大的不同，當前許多空氣動力學理論和分析工具均不適用，需要發展新的理論和研究手段。

1.3.4　飛行控制

四旋翼飛行器是一個具有六自由度（位置與姿態）和4個控制輸入（旋翼轉速）的欠驅動系統（Underactuated System），具有多變量、非線性、強耦合和干擾敏感的特性，使得四旋翼飛行器的設計變得非常困難。此外，控制器性能還將受到模型準確性和傳感器精度的影響。姿態控制是整個飛行控制的關鍵，因為四旋翼飛行器的姿態與位置存在直接耦合關系（俯仰、橫滾直接引起機體向前后、左右移動），如果能精確控制飛行器姿態，則采用PID控制律就足以實現其位置與速度控制。國際相關研究都著重進行了姿態控制器的設計與驗證，結果表明，盡管采用非線性控制律能夠獲得很好的仿真效果，但由于對模型準確性有很強的依賴，其實際控制效果反而不如PID。因此，研制既能精確控制飛行器姿態，又具有較強抗干擾和環境自適應能力的姿態控制器是四旋翼飛行器研究的關鍵。

1.3.5　定位、導航與通信

微小型四旋翼飛行器主要面向近地面環境，如城區、森林、隧道和室內等。但是，目前還存在定位、導航與通信方面的問題。一方面，在近地面環境中，GPS常常不能正常工作，需要綜合慣導、光學、聲學、雷達和地形匹配等技術，開發可靠、精確的定位與導航技術；另一方面，近地面環境地形復雜，干擾源多，當前通信鏈技術的可靠性、安全性和抗干擾性還不能滿足實際應用的需求。因此，研制體積小、質量輕、功耗低、穩定可靠和抗干擾的通信鏈對微小型四旋翼飛行器技術（尤其是多飛行器協同控制技術）的發展而言是十分關鍵的。