循迹四轴飞行器—硬件设计文献综述.doc

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1、杭州电子科技大学毕业设计（论文）文献综述循迹四轴飞行器一硬件设计文献综述题目学院专业姓名班级学号指导教师四旋翼飞行器的研究设计自动化学院电气工程与自动化孙健康1206301312063323孙伟华四旋翼飞行器的研究设计1前言四旋翼无人飞行器(QuadrotorUAV)是一种六自由度垂直起降无人飞行器(VerticalTake-OffandLandingUAV,VTOLUAV),能够完成悬停、低速飞行、垂直起降和室内飞行等固定翼飞机无法完成的任务，与传统意义上的直升机和比，乂具有结构和控制简单、制造精度要求较低、稳定性好、较弱的陀螺效应等优势。本文将介绍四旋翼无人飞行器的现状

2、及发展前景。近年来，四旋翼无人飞行器以其诸多优点和在无人侦察、交通管理、森林防火、城市巡逻等领域的广阔应用前景，成为国际上的研究热点。2主题2.1四旋翼飞行器发展回顾1907年，法国Breguet兄弟制造了第一架四旋翼式直升机，这次飞行中没有用到任何旋翼式直升机，这次飞行中没有用到任何的控制，所以飞行稳定性是很差。1921年，GeorgeDeBothezat在美国俄亥俄州西南部城市代顿的美国空军部建造了另架大型的四旋翼直升机先后进行了一架大型的四旋翼直升机，先后进行了100多次的飞行试验但是仍然无法很好的控制其飞行，并且没有达到美国空军标准。1924年，出现了一种叫做Oem

3、ichen的四旋翼直升机，直升机首次实现了lkm的垂直飞行。1956年，Convertawing造了一架四旋翼直升机，该飞行器的螺旋桨在直径上超过了19英尺，用到了两个发动机，并且通过改变每个螺旋桨捉供的推力了来控制飞行器。在此之后的数十年中，四旋翼垂直起降机没有什么大的进展。近十儿年来，随着微系统、传感器以及控制理论等技术的发展四旋翼垂直起降机制理论等技术的发展，四旋翼垂直起降机乂引起人们极大的兴趣。研究集中在小型或微型四旋翼飞行器的结构、飞行控制以及能源动力等方面。2.2四旋翼飞行器国内外研究动态早在20世纪初，科学家已经开始了对四旋翼飞行器的研究。然而，人们对于四旋翼

4、飞行器进行了许多次的试验和尝试，但是都以失败而告终，其主要原因是因为控制技术和传感器技术的发展还无法达到对于四旋翼飞行器进行控制的要求，妄图单纯依靠人的调节作用而使飞行器实现稳定飞行几乎是不可能实现的。20世纪90年代后,传感器技术、检测技术、微型计算机技术、先进控制理论、通信技术、能源以及屯机驱动技术的发展，为四旋翼无人飞行器的工程应用提供了有效的解决方案。很多国家的高校与科研院所都开展了与四旋翼无人飞行器相关的项冃研究。其中一些项冃主要关注对飞行器的建模以及不同控制策略的控制效果，而另一些项目则着眼于飞行器在真实环境下的实际飞行效果和实现的功能。美国宾夕法尼亚大学GRA

5、SP实验室的Danie1Mellinger,NathanMichael以及VijayKumar等人设计的一种能够在室内飞行的四旋翼无人飞行器，这种飞行器通过室内的红外光辅助惯性测量单元(Inertialmeasurementunit,TMU)进行姿态检测，能够在室内实现稳定飞行、翻转、壁障、冃标识别和着陆等功能，具有极强的控制稳定性和鲁棒性。另外，该实验室还完成了多飞行器协同工作，室内飞行器定位与3D建图，图像视觉与戸标识别以及一些极端条件下的飞行试验。美国斯坦福大学GabrielM.Hoffmann,StevenW.Waslander,MichaelP.Vitus等人设计

6、的一种能够在室外自主飞行的四旋翼无人飞行器，该飞行器通过扩展卡尔曼滤波算法对GPS/TNS/EC提供的信息进行融合，从而进行飞行器的稳定控制。该飞行器能够通过预先设定好的航路点在室外完全自主飞行，并通过Wi-Fi将飞行参数和图像信息实时传送回地面飞行控制站。美国麻省理工学院AbrahamBachrach,NicholasRoy等人设计的一种能够完成室内定位、建图和避障的四旋翼无人飞行器，该飞行器通过激光雷达获得周围的环境信息，并通过SLAM(simultaneouslocalizationandmapbuilding,SLAM)算法进行飞行器室内定位，并建立环境的3D地图，

7、根据环境信息进行障碍物判断和路径规划，进而在室内无法接收到GPS信号的情况下进行自主飞行，并能够实现壁障等功能。由于四旋翼无人飞行器结构较为简单，因此，对该飞行器的理论研究多着重于其控制方法的研究。KostasAlexis等研究了受大气扰动条件下，四旋翼无人飞行器姿态的切换模型预测控制，建立了飞行器的分段仿射模型，并根据飞行器姿态进行模型切换，进而设计了姿态的模型预测控制器。J.F.Guerrero-Castellanos等设计了基于四元数状态反馈的四旋翼无人飞行器姿态稳定控制算法，并进行了大量的飞行试验，该方法占