1.2　國內(nèi)外四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀

四旋翼飛行器在誕生之初，由于傳感器、微處理器等的發(fā)展還不是特別成熟，其發(fā)展受到了許多局限，也遲遲不能進入實用階段。世界上第一架四旋翼飛行器Gyroplane No.1（如圖1.2.1所示）在1907年成功升空，它是由法國Breguet兄弟制造的多旋翼飛行器，但飛行穩(wěn)定性非常差^[2]。

1922年，George de Bothezat制作了“飛天章魚”（如圖1.2.2所示），設計者Bothezat直接著手做原始尺寸的飛行器，該飛行器身長、寬都為65英尺（ft，1ft≈0.3048m），高為10英尺，機重3600磅（lb，1lb≈0.454kg），使用了180HP（1HP≈745W）的發(fā)動機，雖然只能成功飛行6英尺，并且只能飛行1min，但這無疑是一個巨大的進步。

旋翼飛行器在20世紀50年代被應用于陸軍機構(gòu)，開始試驗各種垂直起飛降落的方案，Curtiss-Wright VZ-7（如圖1.2.3所示）使用了杠桿燃氣渦輪機來提高性能，但同時也增加了飛機重量，1950—1960年期間實現(xiàn)了相對穩(wěn)定的飛行，但由于它沒有達到要求的高度和速度，所以測試試驗沒有進一步施行。

在美國20世紀90年代早期，工程師Mike Dammar自己開發(fā)了電池給飛行器供電，在其加入Spectrolutions公司工作之后將該飛行器命名為Draganflyer（如圖1.2.4所示），后來加拿大分銷商進行了銷售。2006年又安裝了穩(wěn)定的航拍視頻系統(tǒng)，稱為“天眼”。

幾十年來，隨著微控制器技術的巨大突破，以及新型材料、微機電系統(tǒng)（MEMS）、微慣導（MIMU）以及飛行控制等技術的進步，四旋翼飛行器又逐漸走入人們的視野。四旋翼飛行器在布局上屬于非共軸式的蝶形，四只旋翼產(chǎn)生相互抵消的反扭力矩，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、易于控制、成本相對較低，能實現(xiàn)垂直起降（VTOL）等特點。與之類似，還有如六旋翼、八旋翼飛行器等。

VC200是德國E-vovo公司研發(fā)的一款多旋翼飛行器（如圖1.2.5所示），主題機身采用碳纖維復合型材料，擁有18個電機、旋翼，采用6組電池（每組為3臺發(fā)動機供電），能維持約20min的飛行。

四旋翼飛行器在軍事領域、自然和民用等領域具有廣闊的應用前景，如災害搜救、軍事打擊、地形勘探、廣告航拍、航模玩具等。目前，亞馬遜、Google、DHL等公司都在研發(fā)無人機快遞業(yè)務服務，其中亞馬遜無人送貨機如圖1.2.6所示。其飛行器也是運用了多旋翼飛行器，相信不久的將來，將不用快遞員進行送貨，這將大大減少人力投資，并在很大程度上改善人們的生活。

四旋翼飛行器的應用還進入了餐飲行業(yè)，餐廳用飛行器為用戶送上熱騰騰的餐食。英國達美樂分公司通過跟創(chuàng)意公司合作開發(fā)了一架名為“達美樂直升機”的送餐飛行器。它能在10min之內(nèi)將食物送到4英里（1英里≈1.61km）之外，極大地提高了送餐效率。同樣地，一家名為“Yo! Sushi壽司”的餐館也提出了用飛行器進行送餐的全新方式——服務員通過控制iPad來操控四旋翼飛行器，將承載食物的餐盤送到顧客的餐桌上（如圖1.2.7所示）。

因此，由于四旋翼飛行器所具備的以上特點及其廣闊的應用前景，人們對研究四旋翼飛行器的熱情被重新點燃了。

1.2.1　國外研究現(xiàn)狀

國外許多大學和商業(yè)公司在近十幾年間對四旋翼飛行器進行了研究和探索。下面將對他們的工作加以介紹。

自2002年開始，賓夕法尼亞大學（UPenn）提出了基于視覺反饋的直升機控制系統(tǒng)。研究人員通過使用HMX-4這一商業(yè)模型開發(fā)了自己的四旋翼飛行器（如圖1.2.8所示）。其飛行器控制系統(tǒng)是通過系統(tǒng)中微控制器和遠程遙控來實現(xiàn)的，遠程PC首先對傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行分析處理，然后回送控制信息。其四軸控制系統(tǒng)中攜帶3種傳感器模塊，用于實現(xiàn)閉環(huán)的增穩(wěn)控制。同時整套系統(tǒng)中，地面安放了用于主監(jiān)控的攝像機，并在飛行器底部設計了彩色符號來為攝像機定位，利用這些符號計算出飛行器的相對位移，地面PC即可算出四旋翼飛行器的空間旋轉(zhuǎn)角度和水平位移。這一團隊的研究成果也多次出現(xiàn)在TED演講、優(yōu)酷視頻等中，自主懸停時使用基于模型的線性反饋控制，而在穿越障礙、自主飛行時與視覺反饋控制相結(jié)合，其研究重點已經(jīng)向多機協(xié)作和自主飛行傾斜。

Mesicopter（如圖1.2.9所示）是斯坦福大學（Stanford）的研究小組在NASA支持下，為研究微型旋翼飛行器技術而設計的試驗裝置^[3]。機身為16mm×16mm的方形框架；旋翼直徑為1.5cm，厚度為0.08mm；電機直徑為3mm，質(zhì)量為325mg。Mesicopter飛行器研究組設計了應用于自主飛行器控制研究（STARMAC）的測試平臺，其控制系統(tǒng)包含：慣性測量單元（IMU）、微控制器、超聲波測距傳感器、GPS定位導航單元以及藍牙通信模塊，主要實現(xiàn)了姿態(tài)估測和數(shù)據(jù)通信；在控制端則設計了PC和遙控器操作裝置。慣性測量單元從傳感器中獲得姿態(tài)數(shù)據(jù)后估測出當前飛行器的高度及其運動速度，然后輸出這兩組數(shù)據(jù)，由于飛行器在升力變化時會產(chǎn)生較大震動，因此兩組數(shù)據(jù)混有較大的噪聲，導致估測準確性降低；同時超聲波傳感器的數(shù)據(jù)也不可靠，所以需要卡爾曼濾波器首先去噪，再進行高度估測。系統(tǒng)中還加入了紅外傳感器來協(xié)助完成飛行器的距離測量任務。系統(tǒng)中還設計了另一個卡爾曼濾波器用來將計算出的GPS數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)以及高度信息融合在一起，計算出飛行器的位置和速度信息。

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院于2003年開始研發(fā)了OS4微型四旋翼飛行器（如圖1.2.10所示），試驗了各種不同的控制算法，對于最優(yōu)控制理論、飛行器自主飛行和避障等做了比較深入的研究。OS4是EPFL自動化系統(tǒng)實驗室開發(fā)的一種電動小型四旋翼飛行器，其研究的重點是機構(gòu)設計方法和自主飛行控制算法，目標是要實現(xiàn)室內(nèi)和室外環(huán)境中的完全自主飛行。

目前，該項目已經(jīng)進行了兩個階段。OS4Ⅰ最大長度約73cm，質(zhì)量為235g；它使用了Draganflyer的旋翼和十字框架，4個Faulhaber 1724電機，以及一個Xsense的MT9-B微慣性測量單元。至2004年，OS4Ⅰ已經(jīng)分別基于多種控制算法（如PID、LQ、Backstepping、Sliding-mode），實現(xiàn)了飛行器姿態(tài)控制。OS4 Ⅱ的機身最大長度為72cm，重為520g；機載230g的鋰電池，提供自主飛行30min的能量。它與OS4Ⅰ的區(qū)別主要有：使用了槳葉面積更大的新旋翼；使用了更輕、功率更大的LRK無刷電機BLDC；使用皮帶減速裝置代替了電機減速箱；控制器、傳感器、電池和電機驅(qū)動模塊等都直接安裝在機體上，不再由機體外部提供。

此外麻省理工學院的Robust Robtics和佐治亞理工大學的GTMARS等研究組也都對四旋翼飛行器的建模、飛行、視覺控制、周圍環(huán)境監(jiān)測等做了很多研究工作。

在商業(yè)領域，法國巴黎的Parrot公司在2010年的國際消費類電子產(chǎn)品展覽會（Consumer Electronics Show）上展示了一款名為AR.Drone的雙攝像頭航模玩具（如圖1.2.11所示），以其創(chuàng)新的玩法獲得了2010年國際消費電子展電子游戲硬件創(chuàng)新獎。AR. Drone類似于一款無人駕駛直升機，擁有4個獨立螺旋槳，用戶可以使用iPhone、iPod Touch對其進行飛行控制操作，能夠?qū)崿F(xiàn)自動懸浮定位、自動導航駕駛、手機無線遙控、高清實時航拍等有趣而復雜的功能。

拉脫維亞直升宇航工業(yè)公司（Helico Aerospace Industies）所設計的AirDog飛行器（如圖1.2.12所示）是一款專為極限運動所打造的跟拍器。AirDog是一款專有航拍器，支持索尼以及GoPro攝像機，折疊起來小到可以放進背包，其最獨特的地方是可實現(xiàn)全自動。AirDog還配置了一個名為AirLeash的腕帶控制器，用戶只須將其綁在手臂上就能操作控制AirDog的起飛和降落，在行動過程中，AirDog還利用了回轉(zhuǎn)儀穩(wěn)定技術確保被拍攝物體始終能在拍攝畫面里。該設備可以預先設定飛行模式，這樣就能確保在不同的體育運動中拍攝到最佳效果的影片，這些體育運動包括極限腳踏越野車（BMX）、極限滑雪、沖浪、越野摩托車、水上滑板等，可以通過手機APP進行設定。

四旋翼飛行器在其他領域的潛力也不斷被挖掘出來。蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH）的法比奧格?拉馬里奧與馬提亞斯?科赫勒教授運用數(shù)控加工技術控制的四旋翼飛行器操控傳統(tǒng)的磚塊堆砌起一座高6m、直徑3.5m的1:100的名為“垂直村落”的建筑模型（如圖1.2.13所示），模型本身的建造方法也正是類比著設計中垂直向上“生長”的高層“村落”。整個過程完全由多架四旋翼飛行器獨立完成，使用了超過1500塊聚苯乙烯泡沫制作的磚塊，幾架四軸直升機像蜜蜂一樣回旋飛舞，抓起一塊塊磚頭，精準定位后將磚頭一塊塊放下，層層疊疊地砌出一個曲線形狀的大尺度構(gòu)筑物。

四旋翼飛行器的主要優(yōu)點如下。

①擁有簡單的機械結(jié)構(gòu)，沒有傳統(tǒng)直升機復雜的旋翼控制機構(gòu)。

②擁有穩(wěn)定的飛行姿態(tài)。飛行器控制系統(tǒng)通過傳感器采集飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測和控制飛行姿態(tài)，可以實現(xiàn)飛行器保持平穩(wěn)的飛行。與傳統(tǒng)單旋翼直升飛機相比，四旋翼飛行器的飛行更為穩(wěn)定。

③容易將體積做得很小，可以實現(xiàn)自主飛行器的小型化和微型化。微型四軸器調(diào)試相對容易簡單，而制作完成之后，執(zhí)行任務的地點也更加多樣化。

④飛行器擁有4個電機，具有更大的載重力。

此外，四旋翼飛行器還具有成本低、噪聲小的優(yōu)點，比單翼直升機或者其他垂直起降機其更易于維護。因此，旋翼無人機廣泛應用于民用和軍事領域，如救援、偵察、勘探等方面。

1.2.2　國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對于四旋翼飛行器的研究起步較晚，但是發(fā)展迅速，最早的研究開始于2000年左右。

2001年，上海大學通過利用已有的相關技術，初步研究和設計四旋翼飛行器飛行控制，并實現(xiàn)飛行試驗。重點對整個飛行器做了樣機設計，包括控制算法設計、控制系統(tǒng)軟件設計和硬件設計。為實現(xiàn)自主控制奠定了基礎。

國防科技大學在2004年開始研究微型四旋翼飛行器，做了一系列的建模和實踐，并在2006年完成了對四旋翼飛行器的原型樣機的設計，根據(jù)Quad-Rotor飛行原理和牛頓—歐拉方程建立了四旋翼飛行器的動力學模型，設計了基于模糊滑模控制理論的姿態(tài)控制算法，并且通過試驗仿真驗證了四旋翼飛行器姿態(tài)控制算法的有效性，實現(xiàn)了基于Quad-Rotor的姿態(tài)增穩(wěn)控制。

隨后，哈爾濱工業(yè)大學建立了四旋翼飛行器的動力學模型和運動學模型，并針對四旋翼飛行器系統(tǒng)的線性模型的不確定性，基于回路成形法設計實現(xiàn)了魯棒控制器，并基于四旋翼飛行器的非線性模型進行了仿真分析和研究，取得了比較好的控制效果。

此外，南京航空航天大學、西北工業(yè)大學等高校也相繼進行了較多的試驗和探索，廣東的模型廠商也推出了多款小型四旋翼飛行器。但四旋翼飛行器要走向成熟和實用，還面臨著諸多關鍵技術的挑戰(zhàn)。

除了各大高校的研究攻關，多旋翼飛行器各方面技術的進步和成熟也離不開諸多消費級無人機公司的推動，而以大疆創(chuàng)新科技有限公司為首的各個創(chuàng)業(yè)公司則成為了行業(yè)的引領者。

深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司（DJI）成立于2006年，是全球領先的無人飛行器控制系統(tǒng)及無人機解決方案的研發(fā)和生產(chǎn)商，客戶遍布全球100多個國家。大疆公司致力于通過持續(xù)的創(chuàng)新為無人機工業(yè)、行業(yè)用戶以及專業(yè)航拍應用提供性能最強、體驗最佳的革命性智能飛行控制產(chǎn)品和解決方案。

2013年1月，大疆公司發(fā)布“精靈”（如圖1.2.14所示），這一產(chǎn)品一舉撬動了非專業(yè)無人機市場，使得大疆公司在市場上站穩(wěn)腳跟，為大疆公司成為這一行業(yè)引領者打下了堅實的基礎。現(xiàn)在大疆公司已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)品線，除“精靈”系列外，大疆還將2014年11月面世的InSPIre（悟）（如圖1.2.15所示）系列定位為“一體化空中影像系統(tǒng)”，此系列的目標群體是高端電影、視頻創(chuàng)作者；筋斗云系列飛行平臺是為資深航拍愛好者開發(fā)的一系列專業(yè)級載機，具有便攜易用、安全穩(wěn)定等特點，主要應用于專業(yè)航拍領域；MG-1S農(nóng)業(yè)植保機集成大疆最新技術，可實現(xiàn)作業(yè)規(guī)劃、飛行實時管理和工作統(tǒng)計，不僅是一款高性能無人機，還為消費者提供了一整套智能便捷的農(nóng)業(yè)植保解決方案；Mavic主打小體積、遠距離圖傳和長時間續(xù)航，巧妙的折疊設計讓消費者能輕裝上陣，盡情享受飛行與拍攝的樂趣。

PowerEgg無人機（如圖1.2.16和圖1.2.17所示）是臻迪推出的首款消費級無人機，此項目于2014年6月立項，2016年8月進行京東眾籌，受到廣泛關注，并在短時間內(nèi)眾籌成功。通過這款融合了科技與藝術的飛行機器人，臻迪希望能讓更多的人體驗到航拍飛行的樂趣，所以PowerEgg通過技術創(chuàng)新和設計創(chuàng)新，主打易用性、便攜性及安全性等諸多功能，希望幫助用戶解決痛點。這款無人機最大的特點就是外形被設計成了蛋形，機臂可以完全折疊，一體化的造型十分方便用戶攜帶；而從操控上，臻迪希望除了專業(yè)的航拍手、攝影愛好者和一些航模愛好者之外，能有更多對無人機感興趣的小白用戶也可以享受到飛行的樂趣。因此，PowerEgg除了標準版的遙控器之外，還特別推出了體感遙控器，通過體感遙控器可以實現(xiàn)一鍵懸停、一鍵拍照、一鍵跟蹤環(huán)繞等功能，簡單易上手，甚至連小孩也能操作。

2016年4月27日，ZeroRobotics公司正式發(fā)布Hover Camera（如圖1.2.18和圖1.2.19所示），這是全球首部真正意義上的安全、易用、便攜式跟拍無人機，這款無人機的質(zhì)量只有238g，卻擁有1300萬像素攝像頭，可以拍攝4K視頻，同時還可以提供720像素高清實時數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)流可以通過WiFi傳到智能手機。這款無人機的特別之處在于其可以懸停在空中完成這些任務，用戶可以通過智能手機指揮其行動。Hover Camera也支持懸停旋轉(zhuǎn)全景拍攝。它采用碳纖維外殼以及創(chuàng)新性的可折疊式設計，大大增強了產(chǎn)品的安全性和便攜性。無須費力學習或組裝，只要展開機翼并開機，Hover Camera便會從用戶的指尖穩(wěn)穩(wěn)起飛，以獨特視角拍攝視頻或照片。這款產(chǎn)品主打便攜，折疊后的收納尺寸為18cm×13cm，同時具備體感操控、自動跟隨、指尖放飛和空中摘取等功能。

除了這些明星產(chǎn)品，近10年來，國內(nèi)同樣涌現(xiàn)出了一批擁有自己核心技術的無人機公司，如億航、零度、極飛和易瓦特等。

2007年成立的極飛是我國最早開始研發(fā)多旋翼無人機的公司之一，如今也是著重農(nóng)業(yè)領域的無人機公司之一。該公司研制的“農(nóng)飛P20植保無人機系統(tǒng)（XPlanet）”（如圖1.2.20所示）幫助新疆棉農(nóng)噴灑農(nóng)藥，將無人機真正應用到實處。同時，極飛無人機還與物流公司友好合作，舉辦了轟動一時的淘寶無人機送貨服務。

雖然零度智控公司成立于2007年，但是2011年才開始研制多旋翼無人機，2015年設計消費級無人機。第一款消費級無人機產(chǎn)品——Xplorer標準版（如圖1.2.21所示）售價僅2499元，讓擁有炫酷的四旋翼飛行器不再是夢想，因此也被稱為“價格屠夫”。該公司無人機主要應用于航拍領域，在《智取威虎山》和《天河》等電影中均有應用，如今已經(jīng)占據(jù)1/3的航拍市場。

億航科技于2014年在廣州成立，可以說是無人機行業(yè)的新生力量，其實力不容小覷。旗下第一款無人機Ghost（如圖1.2.22所示）僅需要一款手機APP就可輕松實現(xiàn)起飛、返航、下降等一系列操作。該無人機以80萬美元的成績創(chuàng)下了中國海外眾籌項目的新紀錄。如今有報道稱一家名為Lung Biotechnology的生物科學公司計劃與億航科技合作，利用無人機運送移植器官，雖然有些不可思議，但是也肯定了億航無人機的發(fā)展與努力。