【《四旋翼无人机技术基础与应用分析》8500字（论文）】

四旋翼无人机技术基础与应用分析目录TOC\o"1-3"\h\u9953四旋翼无人机技术基础与应用分析 1298521机翼的结构分类 1193342四旋翼无人机的特性 162473四旋翼无人机技术研究 2182054四旋翼无人机技术研究先例 372605四旋翼无人机的应用 7215426四旋翼无人机的发展前景 81机翼的结构分类按照无人机机翼的结构进行分类可分为两种，一种是固定翼式无人机，另一种是旋翼式无人机。固定翼式无人机，字面意思就能知道，无人的的机翼是固定的，保持不动，升力主要靠升降舵的机体调节、调节副翼以及方向舵角来改变无人机的飞行姿态[1]。固定翼无人机具有飞行半径大、运载能力强和飞行时间长等特点，因为固定翼式无人机的研究相比旋翼式的要早很多，技术相对来说更为成熟一些。同样因为是固定式机翼，无人机的机动能力较差，不够灵活，没有办法实现在空中悬停，在一些特殊的场合，无法投入使用，在飞行巡查时无法更加细微的捕捉到各个方位的信息，降落时还需要降落的空场地。但是旋翼式无人机则可弥补这一缺陷，旋翼不断旋转，旋转速度不断变化，无人机升力也根据旋转速度不断变化，从而改变无人机的飞行状态。旋翼式无人机也分为两种，单旋翼式和多旋翼式。其中，小型四旋翼无人机相比来说更为常见，因为其设计结构简单，使用操作更为方便，灵敏度更高，可以简单的实现垂直升空，在空中悬停，在民用无人机领域中广受关注。如果细化将无人机按标准进行分类，可以有多种。首先我们依据设计的结构划分，可分为四种：固定翼式、垂直旋翼式、倾斜旋翼式、旋翼固定翼结合式；按照飞行的半径和飞行持续时间分，也有四种：近程、短程、中程和远程。军用方面按照用途来分，战术无人侦察机、战略无人侦察机、无人战斗机和靶机，应用十分广泛。按照操控方式进行分类，有操控式、半操控式、自操控式，还有结合了三种操控方式的一类。2四旋翼无人机的特性四旋翼无人机在生活中非常常见，并且发展非常迅速的一种无人机，它可以实现垂直升降，可以进行遥控和自主飞行。按照翼型分类，四旋翼无人机属于旋翼式无人机，但是在旋翼式无人机中，非常受欢迎，有着特别的优点，设计小巧、相对起飞动力大、操作方便、飞行灵敏，可以飞行执行各种各样的动作，因为是四旋翼，所以每个旋翼产生的反扭矩可以互相平衡，互相抵消掉，在机身无需安装抵消反扭矩的反扭矩浆。旋翼式无人机中有一种，小型四旋翼无人机，通常应用低空贴地面飞行，在军事方面和民用方面都发挥了重要作用。四旋翼无人机刚出现在人们面前时，因其外观新奇，设计美观，结构简单，飞行动作主要靠四个旋翼的速度变化随之进行改变，不需要进行复杂的操作来控制，简单易上手，各个国家研究无人机的专家对此十分感兴趣，小型四旋翼无人机成为了世界无人机新的研究焦点。最早的无人直升机具备很多良好的性能，在悬停以及机动飞行方面比较出色，但是其设计结构相对来说比较复杂，在稳定性方面还有所欠佳，不够成熟，在控制无人机时，操作较为专业，难度较大，在飞行时为了保持机身稳定，不得不加大机身的结构尺寸，在质量方面也同样会增加。如果因为操作不当，并且无人机的旋翼高速旋转，可能对操纵及周边人员的生命造成损害，因此安全隐患较大[3]。同时，无人机运载时必然会产生较大的噪音及燃油排放的污染，所以无人直升机的应用在生活中并不常见，推广的潜力较小。所以，综合各种无人机的优缺点，要真正的将无人机应用于生活当中，必须需要一种新型无人机，结合了之前各类无人机的优点且尽可能避免各种缺点，这样才能真正推广于日常生活中。四旋翼无人机不仅具有旋翼式无人机本应具有不同于固定翼式的优点，还具有本身独一无二的优点，包括设计轻巧、安装简易、保养方便、价格实惠，还具有良好的隐蔽性，执行任务方便。它拥有四个旋翼，有四个单独控制的电机可以稳定飞行，四个旋翼升力充足，不会互相干扰，飞行器结构简易。四旋翼产生的升力可以使无人机平稳盘旋上升，在空中的悬空静止时可以迅速改变飞行模式，灵敏度极高，操作简易。同时具有四个旋翼平摊升空阻力，转速不会过快，更为安全。四旋翼无人机是利用相互对称的两个旋翼，旋转方向相反，抵除了旋转升空的扭力矩，可以避免结构简单的无人机用尾翼来补偿旋翼旋转的扭矩，可以有效提升旋翼升空的利用效率。因为四旋翼无人机每个旋翼下都有一个电机，可以完成6个自由度方向飞行模式，每个旋翼旋转速度发生改变可以最低引起3个飞行自由度方向改变[4]。3四旋翼无人机技术研究从无人机诞生发展到现在，四旋翼无人机的发展技术等各种研究均已有了很大的进步，虽然已经较为成熟，但是技术并不是非常的完善，还需要针对一些关键的技术进行研究，争取攻克存在的难点，使四旋翼无人机的发展更为成熟，可以尽早普及推广应用在生活中[5]。（1）整体结构设计设计四旋翼无人机的整体结构时，有几点要求需要考虑：体积小、重量轻、飞行速度快、续航能力强、设计成本低。如果想同时具有这些要求还是挺难实现的，不能同时兼顾所有，但是在设计整体结构时可以首先考虑无人机的尺寸和重量，其次再综合考虑其他的方面，在功耗、续航能力和速度方面进一步的提升，优化整理的结构。（2）续航能力四旋翼无人机的续航能力主要跟无人机的重量和动力系统有关，无人机重量轻就可以增加无人机的飞行时间，供电系统电池容量大同样也可以提升续航能力。所以，我们需要研究更轻的无人机框架以及容量更充足的能源供给系统，可以进一步提高四旋翼无人机的续航能力。（3）飞行器建模为了更好的研究四旋翼无人机，设计时需要进行多次的实验，但是飞行过程中容易受到外界气流干扰，会使飞行器受到损坏，所以为了方便有效研究，我们需要进行飞行器建模，仿真技术可以更好的帮我们研究设计无人机。（4）操控性能因为飞行器结构是非线型的，需要设计的变量不少、干扰飞行的因素也多，所以四旋翼无人机的飞行控制系统比较复杂，比较难以设计。所以在研究无人机时，要更好的对飞行姿态进行研究，实现飞行时的精确操控，遇到干扰时也可以稳定飞行，适应能力强。（5）导航系统虽然现在的四旋翼无人机都是贴近地面低空飞行的，但是无人机的定位系统时常出现预想不到的问题，没有正常工作。低空飞行时，地面的干扰因素较多，比如树木、楼房高压电线等，定位不准容易损坏无人机。所以，在无人机上安装的GPS定位导航系统需要进行升级换代，实现更精确的飞行，为未来更先进的无人机打好基础。4四旋翼无人机技术研究先例现如今，大多数人对四旋翼无人机都有关注，其他各国都对四旋翼无人机有很深的研究，设计制作了实验样机进行实验。当今世界上现在普遍存在的都是微小型四旋翼无人机飞行器，应用广泛，大概的分类有三种：遥控航模四旋翼无人机、微型四旋翼无人机、小型四旋翼无人机。美国Draganflyer公司研制的DraganflyerX4和香港银辉玩具制品有限公司设计研发的X-UFO都是遥控航模四旋翼无人机的标志性无人机，如图2.5所示。DraganflyerX4四旋翼无人机主要应用于空中拍摄，在遥控航模四旋翼无人机中名声显赫，无人机整体重量较轻，是因为框架采用的是高性能塑料和碳纤维材料。无人机负载4个电机控制旋翼旋转，为了更好的对无人机飞行模式稳定控制，另外装配了三个压电晶体陀螺仪。X-UFO无人机设计的程序极其复杂，技术难度高，具有高速芯片处理器和精密的陀螺仪，旋转比较安全，因为其被放置于发泡聚丙烯的圆环中。图2.5DraganflyerX4与X-UFO遥控航模四旋翼无人机各个国家研究小型四旋翼无人机主要有三种，第一种是以惯性导航为基础的，第二种是以视觉效果为基础的，第三种是以自主飞行为基础的。这三种无人机比较知名的分别是：OS4计划，由瑞士洛桑联邦科技学院研究设计，OS4由EPFL自动化系统实验室研制开发的一种电驱动小型四旋翼无人机，重点是无人机的框架结构设计和智能自主飞行控制。2004年，OS4Ⅰ主要研究的方向是无人机飞行稳定，应用了多种飞行算法。2006年，OS4Ⅱ主要研究无人机悬停技术。2007年，在前几年对无人机研究的基础上，对无人机高度智能化设计，综合了飞行位置、飞行高度、飞行姿态、垂直起降、躲避障碍、轨迹巡航等，还对旋翼的结构进行优化设计改进。HMX4计划是由宾夕法尼亚大学研究的，无人机三个角度的姿态和飞行位置，是由地面的摄像头进行跟踪，从而可以定位绘制出标记位置和标记的面积利用无人机底部的5个彩色标志。应用反馈线性化和Backstepping的方式，就可以实现视觉感官的自主悬停。在2003年，在此基础上优化了双视觉反馈的旋翼控制，提高了测绘的精度能力水平。GTMARS计划是由佐治亚理工大学开发研究的CAD无人机系统，主要的开发研究是因为要执行火星探测任务，设计研发的系统在美国第十七届直升机协会学生设计中荣获第一名的好成绩。GTMARS随着飞行器到达火星地面后，可以由折叠封装状态自主展开，可以自主飞行和降落，在火星地表飞行时最快巡航速度可达到72km/h，它还可以像扫地机器人一样，电量不足时，可以自行飞回到着陆器上，进行电量补充。如图2.6所示为OS4、HMX4和GTMARS小型四旋翼无人机。图2.6OS4、HMX4与GTMARS小型四旋翼无人机Mesicopter研究项目启动于1999年，于2001项目完成。MAV属于微小型无人机飞行器，因为其具有极强的隐藏能力和灵敏度，吸引了许多学者专家的兴趣，Mesicopter由斯坦福大学研究，是世界上名声显赫的MAV之一，如图2.7所示。Mesicopter主要研究微小型四旋翼无人机，对无人机结构设计、气动性分析和模型仿真实验，项目研究刚刚结束时，样机就已经可以垂直起飞在竿壁上。之后的工作就是继续优化结构，实现更微型化，项目研究的最终目标就是无人机的智能化，实现自主和多无人机共同执行任务。图2.7微型四旋翼无人机Mesicopter1924年的时候，法国标致集团有一位年轻的无人机设计工程师EtienneOemichen研究设计了一款四旋翼无人机，这款四旋翼无人机创造了四旋翼无人机垂直升降距离的飞行记录，原本的记录是360m，新纪录远远超过360m，达到1km的高度，大大的推进了四旋翼无人机的发展。30年后，有一个名为Convertawings根据工程师EtienneOemichen研究的四旋翼无人机，优化了无人机的结构，制造出了一台大型的四旋翼飞行器，它的旋翼直径尺寸超过19英尺，需要两个发动机进行驱动，四个旋翼提供升力来控制飞行器。因为当时没有成熟的传感器技术，对操控飞行的控制技术也没有完善，与此同时，固定翼的飞行器发展速度快，技术相对更加成熟，很多研究飞行器的科学家都不对旋翼式飞行器感兴趣，都一心研究固定翼式飞行器，因此四旋翼无人机的发展止步不前，可以说是几乎没有进展。二十世纪中后期因为传感器技术、微电子技术、自主控制技术等各种先进技术的发展，为四旋翼无人机的发展打了非常扎实的基础。由于MEMS系统在二十世纪初的出现，四旋翼无人机的机身尺寸可以很大程度的减小，从此小型无人机的研究正式铺展开来。很多科学家和研究人员对小型无人机有了极大的兴趣，并且相信在未来不久，小型四旋翼无人机一定会有着举足轻重的地位，国外各高校和公司都投入大量财力与精力对无人机进行系统化的研究。美国DragonFly公司率先研制出一款相对成熟的小型四旋翼无人机DragonFlyX4系列，主要功用是进行空中拍摄测量，可以拍摄大量高清的图片及视频，是轻量化无人机的起步，且非常方便携带。斯坦福大学STARMAC(StanfordTestofAutonomousRotorcraftforMultiAgentControl)更新了DragonFlyX系列无人机的设计，对其进行优化设计，该大学的无人机研究实验室自发研制了主控设备，而且装配了GPS系统，使无人机具有了定位导航能力，计算机在输入了飞行地点后，可以自行飞行到达目的地，并且可以追踪到其位置。随着进一步对该无人机进行更优化研究，得到了STARMACII，将机身结构的材料更换成了更轻盈的碳纤维材料，这样无人机续航飞行时间就可以更长。改进后的无人机迅速投入实际应用，用来勘探地质，消防救援，空中拍摄等都发挥着很大的作用。随着无人机技术的快速发展，又因为有很多成熟的研究成果，在无人机控制上已经比较成熟，麻省理工学院也针对无人机做出相应研究，推出了UAV健康集群管控计划(UAVSwarmHealthManagementProject,UAVSHMP)，该计划主要是针对无人机在飞行过程中，遇到不可预测且复杂的环境下，可以协同作业，监控目标，由地面站进行管理。技术采用的是VIU姿态控制技术，用的是红外激光技术，可以将周边的环境扫描出来，无人机本身可以进行分析计算，重新规划最合适的飞行轨迹，同时可以飞行时锁定目标，可以进行实验包括：目标搜索、定位、编队协同飞行。瑞士洛桑联邦理工学院开发了一个新的项目，命名OS4，该项目主要尝试研究在飞行时加入视觉探测，避障系统，因为新兴科技的发展，图像识别，视觉识别等技术的诞生，四旋翼无人机的发展又可以更近一步。OS4项目采用的视觉技术主要是利用超声波反射定位障碍物，得到反射信息后，自行进行计算，得出障碍物的位置，再计算出可以躲避障碍物的最优飞行路线。相比较国外对于四旋翼无人机的研究，国内对于其研究起步就比较晚，所以要相对落后于国外一些国家。近几年国内才出现了许多比较出色的民用无人机公司，并且这些优秀的公司在一些无人机技术上并没有怎么落后，一直快速的追逐，在无人机模型建立、飞行轨迹建立等多个方面与世界领先水平相差甚少，发展速度飞快。对于四旋翼无人机国际上已经有非常多专业化且成熟的应用研究，但是相比较国外来说，国内对于四旋翼无人机的研究起步较晚，还处于起步阶段，还不够成熟，但是也有一些大学和一些专业研究机构对四旋翼无人机有一定的研究，开展了专门针对四旋翼无人机制定了研究计划。在国内比较有影响力的则是国防科技技术大学专门关于小型四旋翼无人机进行了系统化的研究设计。国防科技技术大学主要针对四旋翼无人机研究了两种，如图2.8所示，一种是由两种空心铝棒结构作为机身，用Draganflyer3旋翼作为升力驱动设备，电力驱动选用的是瑞士Maxon电机，剩余无人机各类装置都是由该大学自主研发设计的，比如机械方面的齿轮减速器，操控方面的飞行控制系统：计算机飞行控制系统、传感器系统、无线电通信系统、旋转伺服控制系统。设计的第二种无人机机身结构采用的是纤维板状结构，相比采用空心铝棒结构，第二种无人机的结构重量更轻，并且机身的抗扭抗弯的强度更高，不容易受到损害，采用尺寸为10英寸的三叶正反浆作为旋翼，该旋翼经过多次试验，试验表明该旋翼抗撞击能力强，且强度高，不容易损伤折断，机身还搭配有高清摄像头进行拍摄，可以实时向计算机传输高清视频，还装配飞行轨迹记录设备，对飞行时的数据进行精准记录[6]。大学对于该项目进一步研究的方向是飞行姿态精准控制、智能自主化飞行和雷达避碰系统进行实验。图2.8国防科技大学四旋翼无人机太原理工大学的扬帆也对无人机飞行性能方面进行了研究，先绘制出了无人机的仿真模型，运用了SolidWorks三维建模软件，根据固定的定量可以计算出机身的转动的惯性量、旋翼旋转的惯性量、升力系数和阻力系数。之后，分别运用了PID技术和LQ控制算法对无人机飞行模式和无人机定位精度两种进行了对比计算，再用MATLAB仿真软件仿真出两种情况，直观的显示出来。5四旋翼无人机的应用四旋翼无人机在各种不同的方面也都有具体的应用：（1）国防军用：无人机最早是应用于军事方面，已经有很长的发展历史了。小型四旋翼无人机与大型无人机进行比较具有尺寸小、灵敏度高，可以贴地面飞行进入敌方防守区域执行特殊任务。在空中通信、武器搜寻、信息抗衡、协助平台作战方面发挥出色，与人造卫星和预警飞机组成基地的雷达预警侦察系统，抗干扰信息作战也充当着重要角色。（2）抗震救灾：小型四旋翼无人机可以垂直起降，飞行迅速灵敏，可以在人无法直接通行的地势灵活飞行进行拍摄，在无人机上安装红外等救灾设备，可以勘测到有无被困人员。例如在2008年的汶川地震中，四旋翼无人机充当了至关重要和不可或缺的救生员角色，在极其复杂的地势环境中，可以第一时间搜集受灾资料，为救援人员提供了重要的救援信息，可以迅速赶到现场，且可以快速制定出救援计划，高效快速的救援，挽救更多人的生命。在一些特殊场地，比如有毒有害现场、易爆炸事故现场、核泄漏和化学品泄漏高危现场，四旋翼无人机都可以替人进行工作，小巧飞行的优势体现的非常到位。（3）地势勘探：四旋翼无人机形态小，飞行灵敏较灵活，在地势复杂的地方可以随意调整自身飞行姿态方便飞行，例如在楼房建筑密集的城市。它不仅可以在地势复杂的高楼间飞行，还可以进入低空进行飞行，例如桥下洞里等难以通行的地方进行拍摄取景，再用三维动画模拟技术在电脑上模拟重现景象，配合一些专业测绘软件，可以对地势考察提供方便，精准依据这些拍摄数据分析地势。（4）植被监测：在已经被大面积喷洒过农药的农田，林场等，四旋翼无人机可以安装遥感监测摄影装置，利用低空遥感技术在农田植被上空监控拍摄，随时可以监控到病虫害情况，最早进行防治，可以有效节省人工成本，直接避免人工与农药直接接触，影响身体健康，并且大大提升生产效率。随着微四旋翼无人机技术的不断发展，农用四旋翼无人机在国外一些国家已经得到大部分推广应用。（5）影像拍摄：在如今的电影产业中，无人机在进行景象拍摄中充当着必不可少的角色。可以搭配拍摄专用的高清摄像头，利用计算机精准操控无人机，结合专业的拍摄技术，精确的在预想位置进行航拍，这样可以增加影像的观看效果，可以在不同的角度下完美的展现拍摄的景象，达到预想的效果。（6）管道巡查：小型四旋翼无人机在巡检高压电线、高压电网、石油管道、天然气管道，还有道路基础设施，高速公路和铁路运输路线，还可以对环境进行监控，比如江河湖海的沿岸情况，完成布置的相应任务。6四旋翼无人机的发展前景现如今四旋翼无人机生活中非常的常见，应用也很广泛，在设计结构、研发技术、飞行试验方面都有优秀的成果。但是现在很多无人机只能在规定应用的场合下才能正常稳定工作，如果想真正实现大多数场合都能应用，还未达到发展如此成熟，还需要更进一步的细致化研究，优化结构设计，使四旋翼无人机更加智能化，发挥更大作用，对这几个方面有着良好的发展前景。（1）智能传感器技术智能传感器是一种微型的处理器，有着收集信息，解析数据，交换数据的能力，将微处理器和集成传感器相结合的产物。智能传感器的特点要比一般传感器优化很多，更加的智能，可以通过计算机的专业技术软件实现科技化的信息技术收集，并且不需要额外的成本，成本较低。传感器本身具有编程软件的功能，可以自我进行简单的编程，且内部的功用有很多种，加上更加的稳定，更加的可靠。如果要将四旋翼无人机真正派上军事用途，高清的摄像头、红外传感器、微光传感器等各种可以装配在四旋翼无人机上的轻型设备。传感系统由很多个传感器组成，传感器收集到信息后，首先交由计算机进行分析处理，其次智能传感器可以进一步的将收集到的信息分散处理，这样可以更加的将成本降低。有了智能传感器的加入，四旋翼无人机的飞行性能得到了很大的提升，无人机变得更加的智能。所以，可以得出一个结论，优化传感器，将传感器变得更加智能是发展优化无人机很重要的一步。（2）自主控制技术在一个未知的情况和条件下，四旋翼无人机可以自行的分析解决一些发生和即将发生的优化问题，这种技术是自主控制技术的核心。除了刚刚提及的智能化发展，未来重要的另一个发展方向就是自主控制方向，很多东西不需要人为介入就可以很好的处理。但是照现在的四旋翼无人机发展情况，在智能化，自主控制方面还是不够成熟，有很大的空间可以进步，实现真正的智能化，自主控制。在