第1章
四旋翼飛行器概述與發展現狀

1.1　空中機器人

空中機器人（Aerial Robotics）最早由美國喬治亞理工大學的Robert Michelson提出，是指各種搭載了GPS、機載導航設備、視覺識別設備以及無線通信設備等，能夠在一定的范圍內實現無人飛行的旋翼無人飛行器、無人飛艇等?？罩袡C器人拓展了無人機的概念，在一定意義上可以將其看作是無人機的別稱?？罩袡C器人以研究微型無人飛行器為主要目標，代表了未來微型飛行器的發展趨勢，是一種智能微型飛行器，代表了飛行器的最高層次。

空中機器人曾經有過多種稱謂，無人飛行器（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是其中的一種。自從1917年英國研制出世界上第一架無人飛行器，無人飛行器已經經歷了無人靶機、預編程序控制無人偵察機、指令遙控無人偵察機和復合控制的多用途無人飛行器的發展過程。在越南戰爭、中東戰爭和科索沃戰爭中，無人飛行器卓有成效地執行了多重軍事任務，包括照相偵察、散發傳單、搜索信號情報、布撒雷達干擾箔條和防空火力誘餌、防空陣地位置的標識、直升機航路偵察，為武器系統提供目標定位、目標指示、目標動態監視和目標毀傷評估的實時情報。無人飛行器以突出的戰績使各國高層軍事首腦對它刮目相看，對無人飛行器作為軍隊戰斗力倍增器的作用與地位及其潛在的軍事價值形成了共識，這些都為無人飛行器的迅速發展提供了強大的動力。

進入20世紀90年代，冷戰結束后各國軍費削減、軍隊裁員，迫使軍方努力尋求既能完成特定任務，又花費較少的途徑，這無疑對無人飛行器的發展提供了機遇。從軍事偵察使用角度來看，無人偵察機是偵察衛星和有人偵察機的重要補充和增強手段，它與偵察衛星相比，具有成本低、偵察地域控制靈活、地面目標分辨率高等特點；與有人偵察機相比，具有可晝夜持續偵察的能力，不必考慮飛行員的疲勞和傷亡問題。再加上20世紀末電子技術和航空航天技術的飛速發展，為無人飛行器滿足軍事需求在技術上提供了可能。

以上因素促使世界無人飛行器的發展進入一個新的時代，并在20世紀末形成三次發展的浪潮。

第一個浪潮是在海灣戰爭之后師級戰術無人飛行器系統的發展。代表性機型有：以色列的“偵察兵”（Scout）、“先鋒”（Pioneer）、“搜索者”（Searcher）；美國的“獵人”（Hunter）、“先驅者”（Outrider），法國的“瑪爾特”（Mart）、“紅華”（Crecerelle），德國的“布雷威爾”（Brevel），加拿大的“289”（CL-289），英國的“不死鳥”（Phoenix），意大利的“米拉奇”（Mirach），南非的“探索者”（Seeker）、“禿鷲”（Vulture）和俄羅斯的“熊峰”（Shmel）等。

第二個浪潮是自從美國的“捕食者”（Predator）（迪爾Ⅱ，圖1.1.1）中空長航時無人飛行器在波黑和科索沃戰場使用獲得成功之后，促進了中空長航時無人飛行器的研制。代表性的機型有：美國的“捕食者”（Predator）（迪爾Ⅱ）、“全球鷹”（GlobalHawk）（迪爾Ⅱ＋）、“暗星”（DarkStar）（迪爾Ⅲ－），以色列的“蒼鷺”（Heron）、“赫麥斯”（Hemes）和法國的“鷹”（Eagle）、“薩若海爾”（Sarohale）等。

目前，空中機器人的研究大都是圍繞微型無人飛行器進行的，這是因為跟其他無人飛行器相比，微型無人飛行器造價低、體積較小、重量輕、飛行相對靈活、起落受限制少，能適應復雜多變的環境，更適合進行目標識別、定位等比賽項目。而且在實際應用中，由于其具有高度的靈活性和很強的適應性，微型無人飛行器在軍事和民用上有著廣闊的應用前景。

在軍用方面，微型無人飛行器主要用于低空偵察、電子干擾等作戰任務。這樣不僅可減少部隊在偵察過程中的傷亡，還可以大大提高作戰效率。另外，微型無人飛行器還可用于目標指示及生化武器探測等。在城市作戰中，微型無人飛行器的優勢更為突出：能夠在建筑物群中以很慢的速度飛行，以便繞過障礙物并且避免被撞倒；可以飛到大型建筑物上執行城區偵察任務；可以探測和查找建筑物內部的敵對分子或者恐怖分子，并且竊聽敵方作戰計劃等。同時，微型飛行器也是與未來城市作戰的武器發展趨勢相吻合的。

在民用方面，微型飛行器可用于通信中繼、環境研究、自然災難的監視與支援。微型無人飛行器還可用于邊境巡邏、毒品禁運、農業勘測并在未來大型牧場和城區監視等方面具有廣闊的市場和應用前景。

根據結構和飛行原理的不同，無人機分為兩種^[1]。一是固定翼無人機，分為螺旋槳式無人機和噴氣式無人機，其飛行原理是在無人機高速前進的過程中，通過機翼上下氣流和氣壓的不同，產生升力，保持無人機的飛行。二是旋翼無人機，旋翼的數量可以有一個或多個，本課題中研究的是四旋翼飛行器，旋翼無人機的原理是用一個或多個螺旋槳的高速轉動產生升力，如果是多個螺旋槳，則需要通過多個螺旋槳的配合保持平衡，并控制無人機6個自由度方向的運動。旋翼無人機最大的特點就是可以垂直起降和懸停，與固定翼無人機相比，有很好的機動性，對場地要求也較小，可擴展功能十分廣泛。

四旋翼飛行器與其他多旋翼飛行器相比較，其優點在于，機架易于制作，不容易損壞且容易維修，單位體積擁有更大的動力等。另外，四旋翼無人機有能力在狹窄的空間內實現各種功能。所以，因為其廣闊的發展前景，近年來，不僅吸引了科研人員關注，商品市場上也出現了越來越多的無人機。目前，市場上已經有很多民用的無人機產品，主要用于航拍和娛樂方面，戶外手控飛行技術已經十分成熟。