四轴飞行器的设计与研究

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1、杭州电子科技大学硕士学位论文第1章概论1.1选题背景四轴飞行器是无人飞行器的一种，也是一种智能机器人，“四轴”指飞行器的动力由四个旋翼式的飞行引擎提供。人们对于四轴飞行器的研究从军用到民用、商用领域都有涉及。近几十年来，随着现代控制理论与电子控制技术的发展，运用现代控制技术，使用电机代替油动力引擎进行四轴飞行器控制研究。四轴飞行器不需要专门的反扭矩[1]浆，可以通过反扭矩作用使飞行器扭矩平衡。同时由于飞行器能够共享电池、电路板等，使得可以设计更加精简紧凑的结构，使电机旋翼产生的升力得到更加有效的利用。因此四轴飞行器的发展更加小型化、多样化，使得四轴飞行器的应用范围也越来

2、越广泛。以四轴飞行器为代表的小型无人机体积小，在执行任务时具有很强的防侦察能力，因此具有很好的军事应用前景。微小型无人机能够在士兵的操控下进行战场上近距离、小范围、复杂地形环境的敌情侦察，操作实施简便。微小型无人机除了执行侦察任务外，还可以用作通信联系工具或者指示目标机，甚至还能装上弹药直接执行战略攻击任务。以将小型无人机装备到美国军队为目标，美国国防高级研究计划局开展了一系列微小型[2]无人机研制计划，并将其作为美军武器装备向信息化、微小型化方向发展的一部分。在民用与工业领域，微小型无人机也具有广泛的应用前景。在救险、城市交通、环境监控以及工业安全巡检等领域都有大量的

3、应用之处。微小型无人机在检测生化武器以及核辐射危险区域等任务中也能发挥重要作用。通过携带特定的功能检测模块，微小型无人机可以感知有毒物质的浓度或者核辐射范围、程度等。通过在无人机上安装GPS，通过GPS等定位手段加上机载检测模块，可以检测出危险区的范围以及大致形状，跟踪报告危险区的中心位置移动情况等，能够实时发出警报。在现代化工、电力、桥梁建设等领域经常会遇到一些特殊环境的安全巡检问题。由于地理环境特殊、工作环境危险，因此此类巡检往往会付出比较大而代价。例如在高空电力线巡检中通常采用“地面目测法”和“航测法”，而由于工作环境的复杂性，使得[3]这两种方法分别存在精确度不

4、高、劳动强度大和代价高昂、低空飞行危险性高的问题。无人机技术的发展，为特殊环境安全巡检提供了新的平台。无人机能够在工作人员的操控下进行工作，可以代替人工对巡检对象实施接近检测，减少工人的劳动强度。而以四轴飞行器为代表的小型化无人机，可以在体积上做进一步的优化，能够进入传统航测法无法到达的环境。小型化无人机可以携带传感仪器、摄像机等，对巡检对象进行数据收[4]集、分析与存储，能够进一步提高巡检的工作效率和巡检精度，也离线分析提供数据[5]基础。正是小型化无人机具有的低成本、低损耗、零伤亡、可重复使用等特点，将小型化无人机引入安全巡检领域将会是一个研究热点。1杭州电子科技大

5、学硕士学位论文四轴飞行器的设计研究项目，为微小型无人机的研究和设计创造了新的条件，提供了新的思路。当今国内外针对四轴飞行器的研究都处于快速的发展阶段。随着纳米科技与制造业的迅猛发展以及MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微型电子机械系统)的蓬勃兴起，四轴飞行器的发展必定会朝着越来越实用化的道路进行。现在看来，四轴飞行器的研究还存在着许多上亟待解决的技术难点问题还有很多，甚至有些问题很难在短时间内找到合理的解决方法。因此，现阶段能做的就是利用现阶段已经掌握的技术，尽最大可能地解决现在面临的问题，只有这样才能使微小型无人机方面的研究不断

6、前进。四轴飞行器的研究水平，在一定程度上可以反映一个国家在MEMS技术领域内的[5]实力，是一项包含了多学科交叉的技术，它的研制还可以推动其它许多相关技术领域的积极发展。四轴飞行器的研究领域十分广阔，并且其研究范畴随着研究的不断深入还在继续扩大，而对其中的部分技术问题开展一些探索性研究工作也正是本课题的目的所在。1.2国内外研究现状揭开了近代航空发展史的序幕的，是美国的莱特兄弟，他们于1903年成功研制出了世界上第一架能真正载人飞行的动力飞机。人类对四轴飞行器的研究与探索也开始于那个时代。但在很长一段时间内，四轴飞行器的研究由于科技发展程度的以及理论认识制约，并未能取得

7、很好的发展与足够的重视。纵览整个20世纪，也并没有多少多轴飞行器被真正设计开发。最早设计并完成试飞的四轴飞行器是由Breguet兄弟，GeorgeDeBothezat,EtienneOemichen以及D.H.Kaplan研制的。1907年，Breguet兄弟Louis和Jacque，在Richet教授的指导下制造了第一架旋[6]翼式飞行器“Bréguet-RichetGyroplane1”。杜埃飞机厂工程师在先后进行了32次图纸设计和飞行原理试验后，1907年8月24日在四个人的帮助原型机进行了试飞，成功离地50厘米，比另一位法国航空先