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四旋翼飞行器的设计

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四旋翼微型飞行器是一种以4个电机作为动力装置.通过调节电机

转速来控制飞行的欠驱动系统;为了实现四旋翼微型飞行器的自主飞

行控制,对飞行控制系统进行了初步设计,并且以C8051F020单片机为

计算控制单元,给出了飞行控制系统的硬件设计,研究了设计中的关键

技术;由于采用贴片封装和低功耗的元器件,使飞行器具有重量轻、体

积小、功耗低的优点;经过多次室内试验,该硬件设计性能可靠,能满足

飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求.

一．微小型四旋翼飞行器的发展前景

根据微小型四旋翼飞行器发展现状和相关高新技术发展趋势，

预计它将有以下发展前景。

1)随着相关研究进一步深入，预计在不久的将来小型四旋翼飞行

器技术会逐步走向成熟与实用。任务规划、飞行控制、无GPS

导航、视觉和通信等子系统将进一步健全和完善，使其具有自主起

降和全天候抗干扰稳定飞行能力。它未来的主要技术指标：任

务半径5km，飞行高度100m，续航时间1h，有效载荷约5

00g，完全能够填补目前国际上在该范围内侦察手段的空白。

2)未来的微型四旋翼飞行器将完全能够达到美国国防预研局对MA

V基本技术指标的要求。随着低雷诺数空气动力学研究的深入，

以及纳米和MEMS技术的发展，四旋翼MAV必然取得理论和工

程上的突破。它将是一种有4个旋翼的可飞行传感器芯片，是一
个集成多个子系统(导航与控制、动力与能源、任务与通信等子

系统)的高度复杂MEMS系统；不但能够在空中悬停和向任意方向

机动飞行，还

能飞临、绕过甚至是穿过目标物体。此外，它还将拥有良好的隐身

功能和信息传输能力。

3)微小型四旋翼飞行器的编队飞行与作战应

在未来的战争中，微小型四旋翼飞行器的任务之一将是对敌方

进行电子干扰并攻击其核心目标。单个微小型飞行器的有效载荷量

毕竟有限，难以有效地完成任务，而编队飞行与作战不仅可以极

大地提高有效载荷量，还能够增强其突防能力。

二．四旋翼飞行器的国内外研究现状

目前世界上存在的四旋翼飞行器基本上都属于微小型无人飞行器，一

般可分为3类：遥控航模四旋翼飞行器、小型四旋翼飞行器以及微型

四旋翼飞行器。

(1)遥控航模四旋翼飞行器

遥控航模四旋翼飞行器的典型代表是美国Dfaganflyer公司研制的

Dragan．flyerIII和香港银辉(silverlit)玩具制品有限公司研制

的X．UFO。DraganflyerIII是一款世界著名的遥控航模四旋翼飞行

器，主要用于航拍。机体最大长度(翼尖到翼尖)76．2cm，高18cm，

重481．19：旋翼直径28cm，重69；有效载荷113．29；可持续飞行

16--20min。DraganflyerIII采用了碳纤维和高性能塑料作为机体

材料，其机载电子设备可以控1书1]4个电机的转速。另外，还使用
了3个压电晶体陀螺仪进行姿态增稳控制【5J。X．UFO机体最大长

度68．5cm，高14cm；持续飞行时间约5min；遥控距离可达100m。X．UFO

的旋翼被置于发泡聚丙烯(EPp),tJ成的圆环中，比DraganflyerIII

有更好的安全性[471。(2)小型四旋翼飞行器

世界上对小型四旋翼飞行器的研究主要集中在3个方面：基于惯

导的自主飞行控制、基于视觉的自主飞行控制和自主飞行器系统方

案，其典型代表分别是：瑞士洛桑联邦科技学院的OS4、宾夕法尼亚

大学的HMX4和佐治亚理工大学的GTMRAS

OS4是EPFL自动化系统实验室开发的一种电动小型四旋翼飞行

器，研究的重点是机构设计方法和自主飞行控制算法，目标是要实现

室内和室外环境中的完全自主飞行。目前，该项目已经进行了两个阶

段。OS4I最大长度约73cm，质量为2359g；它使用TDraganflyerIII

的旋翼和十字框架，4个Faulhaber1724电机，以及一个Xsense的

MT9．B微惯性测量单元。研究人员通过万向节将它固定于飞行测试

平台之上，使其只具有3个转动自由度；能源供给、数据处理、电机

驱动模块以及飞行控制单元都由飞行器外部提供；至2004年，已经

分别基于多种控制算法(例如：PID、LQ、Backstepping、Sliding—

mode)，实现了飞行器姿态控制【6’7】。OS4II的机身最大长度72cm，

重5209；机载2309的锂电池，能提供自主飞行

30min的能量。它与OS4I的区别主要有：使用了桨叶面积更大的新

旋翼；使用了更轻、功率更大的LRK无刷电机BLDC；使用皮带减速

装置代替了电机减速箱；控制器、传感器、电池和电机驱动模块等都
直接安装在机体上，不再由机体