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1、 四旋翼無人機(jī)前沿報告 近些年來，各國的許多研究機(jī)構(gòu)都對小型四旋翼無人機(jī)進(jìn)行了一系列的研究，下面列出來一些比較有代表性的四旋翼無人機(jī)研究成果。 一、國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 1.“蜻蜓”無人機(jī) 近期，約翰-霍普金斯大學(xué)的應(yīng)用物理實(shí)驗室的一個研究小組就開發(fā)出了一個叫做“蜻蜓（Dragonfly）”的概念無人機(jī)任務(wù)。該任務(wù)提出了一款利用放射性同位素驅(qū)動的雙四旋翼飛行器，它將可以在土星最大的衛(wèi)星Titan上執(zhí)行太空任務(wù)。蜻蜓項目首席研究員Elizabeth Turtle指出，這種實(shí)驗是他們在實(shí)驗室無法進(jìn)行的，因為涉及到時間尺度問題，而Titan富含有有機(jī)分子和液態(tài)水的表面卻能維

2、持很長一段時間的時間尺度。該項目就是為了研究Titan生命前化學(xué)而設(shè)計的。由于Titan表層厚重的云層使得那里的太陽能效率并不高，為此，研究人員改用了多任務(wù)放射性同位素?zé)犭姍C(jī)（MMRTG）為飛行器提供能源。據(jù)了解，MMRTG能讓這架雙四旋翼無人機(jī)在白天持續(xù)飛行一個小時的時間，夜晚它將接受充電。 蜻蜓無人機(jī)的空氣流動可以讓它收集樣本和測量的種類獲得增加。在時長1個小時的飛行中，飛行器大概能飛10到20公里。這意味著蜻蜓可以在為期兩年的任務(wù)中探測到的范圍非常廣。 2.“OS4”四旋翼無人機(jī) OS4是EPFL自動化系統(tǒng)實(shí)驗室開發(fā)的一種小型四旋翼飛行器，研究的重點(diǎn)是自主飛行控制算法和機(jī)構(gòu)設(shè)計

3、方法，目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)室內(nèi)和室外環(huán)境中的完全自主飛行。目前，該項目以及進(jìn)行了兩個階段。OS4I最大長度約為73CM，質(zhì)量為235g，它使用了Draganflyer3的十字框架和旋翼，電機(jī)型號為Faulhaber1724,微慣性測量單元為Xsens的MT9-B。研究人員通過萬向節(jié)將它固定在飛行測試平臺上，使其只具有3個轉(zhuǎn)動自由度；電機(jī)驅(qū)動模塊、能源供給、數(shù)據(jù)處理等都由飛行器外部提供。目前，EPFL已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了OS4 2在室內(nèi)環(huán)境中給予慣導(dǎo)的自主懸停控制。 3.GTMARS無人機(jī)系統(tǒng) 推薦精選 GTMARS是佐治亞理工大學(xué)面向火星探測任務(wù)而設(shè)計的無人機(jī)系統(tǒng)。它中20KG，旋翼半徑0.92m

4、，續(xù)航時間30min。GTMARS開始為折疊狀態(tài)，陸器登陸火星后，幾個將自動展開，它能夠自主起飛和降落，巡航速度可達(dá)72KM/H，當(dāng)能量不足時，它可以返回到著陸器補(bǔ)充能量，著陸器裝載有太陽能電池。 4.Microdrones四旋翼無人機(jī) 德國Microdrones公司開發(fā)出了一款小型四旋翼無人機(jī)，型號為MD4-200，這個無人機(jī)采用MD公司自行設(shè)計的盤式電機(jī)，機(jī)身全部用碳纖維制作，懸停時電流參考值為2A，裝有GPS定位系統(tǒng)，并配有相應(yīng)的地面站系統(tǒng)以及視頻傳輸系統(tǒng)。 Sanford 大學(xué)使用一個改進(jìn)后的Drangonflyer作為其自主飛行器Multi-Agent控制研究的測試平臺。

5、選擇Draganflyer四旋翼無人機(jī)進(jìn)行方案驗證。Draganflyer原先的芯片被Stanford大學(xué)自主設(shè)計的控制器所取代。這款控制器用于執(zhí)行所以的傳感和通訊任務(wù)，他由如下組件構(gòu)成：一個被稱為MicroStrain的商用IMU，兩塊PICS微控制芯片，一個超聲速聲納定位傳感器，一個GPS單元和一個有效距離為150—300英尺的而行藍(lán)牙設(shè)備。地面計算系統(tǒng)由幾臺PC機(jī)和一個配有用于遙控飛行器的標(biāo)準(zhǔn)操作桿的筆記本電腦組成。IMU從傳感器得到相關(guān)數(shù)據(jù)后估算出當(dāng)前飛行器的高度及其變化速度，然后將這兩個數(shù)據(jù)輸出，由于飛行器的支架在升力很大時會有強(qiáng)烈的震動，這兩個數(shù)據(jù)很可能混有較大的噪聲，因而準(zhǔn)確性較

6、低。系統(tǒng)同時加入了一個紅外距離傳感器來幫助飛行器飛行軌跡在特定區(qū)域時的聲納測距任務(wù)。使用卡爾曼濾波器對位置和速度的信息進(jìn)行估計。實(shí)驗表明，該飛行器在戶外盤旋狀態(tài)下表現(xiàn)良好。并具有一定的抗風(fēng)險能力。 從上述的研究狀況可以看出，四旋翼無人機(jī)的研究重點(diǎn)一是功能全面的控制器與傳感器系統(tǒng)，二是四旋翼無人機(jī)的控制方法?？刂破髋c傳感器系統(tǒng)大多包括微控制芯片、導(dǎo)航系統(tǒng)、各種測距傳感器以及視覺輔助設(shè)備?？刂品椒ū容^多樣，PID、LQ、Backstepping、Sliding-mode等都有應(yīng)用。 5.四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動能力 在2013年，一個TED的無人機(jī)視頻火遍了全網(wǎng)，叫做《四旋翼直升機(jī)的驚人運(yùn)動機(jī)

7、能》，視頻中演示人員用平衡桿、乒乓球、酒杯等向我們演示了無人機(jī)的運(yùn)動能力，讓人嘆為觀止。最后研究人員表示這一切的運(yùn)動能力的來源都是算法的作用。時間過去了幾年，Raffaello D'Andrea和他創(chuàng)立的工作室可沒閑著：他們讓無人機(jī)作為搬運(yùn)工，在法國當(dāng)代藝術(shù)中心上演了一場運(yùn)貨表演——用1500塊磚搭建了6米高的塔。以及操縱無人機(jī)用繩子編出一座簡易橋梁（確實(shí)可以使用）。 推薦精選 二、現(xiàn)狀的總結(jié)和思考 四旋翼無人機(jī)的發(fā)展不斷朝著智能化、集成化發(fā)展，未來的四旋翼無人機(jī)飛行動力以及能源問題將會得到解決，利用燃料電池、太陽能電池或者油動發(fā)動機(jī)，其續(xù)航時間將會大大增加；其飛行控制系統(tǒng)將

8、是一個集成導(dǎo)航、通信、自動控制的飛行芯片，運(yùn)用更高級的控制算法，實(shí)現(xiàn)多旋翼無人機(jī)與大型多旋翼無人機(jī)并駕齊驅(qū)發(fā)展，其中大型多旋翼能搭載更多的任務(wù)設(shè)備甚至載人飛行。 圖1-5：四旋翼式蜂鳥無人機(jī) 目前我國的無人機(jī)產(chǎn)業(yè)最耀眼的明星就是大疆創(chuàng)新了。大疆是一家總部位于中國深圳的無人機(jī)制造廠商，成立于2006年。該公司生產(chǎn)的DJI無人機(jī)被廣泛運(yùn)用于航拍，并且很受專業(yè)及業(yè)余級攝影師們的青睞。其產(chǎn)品線涵蓋中端價位的Phantom以及高端市場絕對王者的Inspire系列。 一架無人機(jī)系統(tǒng)由地面站、飛機(jī)、鏈路三個核心部分組成。無人機(jī)地面站是整個無人機(jī)系統(tǒng)的指揮控制中心，專門用于對無人機(jī)的地面控制和管

9、理。飛機(jī)是無人機(jī)系統(tǒng)的主體，而它的核心組件是其飛行控制系統(tǒng)（簡稱飛控），它是飛行器穩(wěn)定飛行的保證。鏈路主要負(fù)責(zé)飛機(jī)與地面站之間的通訊，通過多種通信方式將飛機(jī)上的飛行數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)降孛嬲荆⒖梢詫⒌孛嬲景l(fā)出的控制信號傳給飛機(jī)，從而使得無人機(jī)按照既定的指令飛行。 推薦精選 圖1-6 大疆無人機(jī) 我認(rèn)為目前我們的無人機(jī)應(yīng)該更加的重視交互技術(shù)： 1）手勢控制技術(shù) 手勢交互是一種未來的人機(jī)交互趨勢，目前在精確度上存在挑戰(zhàn)。在CES2014的展場上，有利用MYO手勢控制臂帶來控制AR.Drone2.0四旋翼的演示。 2）腦機(jī)接口技術(shù) 近年來，科研人員在多個領(lǐng)域都運(yùn)用到了BCI（B

10、rain Computer Interface）腦機(jī)接口技術(shù)）技術(shù)，各類科技公司運(yùn)用該技術(shù)制作新型玩具、為殘疾人制作義肢。但若是作為對安全性要求較高的飛行器，這種技術(shù)目前還不成熟。它可作為一種驗證性質(zhì)的技術(shù)展示，離實(shí)際還有不少距離。 3）體感控制技術(shù) 體感控制包括手勢和姿態(tài)，類似于PS4等游戲機(jī)上的體感控制，有著直觀、易學(xué)、易操作等特點(diǎn)。隨著信息時代的不斷發(fā)展，人機(jī)交互越來越成為科研人員研究的重點(diǎn)，Kinect傳感器作為人機(jī)交互的中介，自然會被應(yīng)用到無人機(jī)的控制中來。 Kinect傳感器由Microsoft公司于2010年推出，可以同時獲取彩色圖像數(shù)據(jù)和深度圖像數(shù)據(jù)，支持實(shí)時的全身骨骼跟

11、蹤，獲取人體骨架的20個關(guān)節(jié)點(diǎn)[2]。同時，Kinect SDK允許開發(fā)者借助Visual Studio 2010進(jìn)行相關(guān)開發(fā)，通過相關(guān)算法設(shè)計實(shí)現(xiàn)人體的動作識別。 無人機(jī)不論是從它的發(fā)展前景，理論技術(shù)還是從發(fā)展傳統(tǒng)汽車行業(yè)，增大行業(yè)競爭力來看都是非常具有研究潛力的。這些系統(tǒng)的出現(xiàn)離不開很多關(guān)鍵技術(shù)，也正是因為這些技術(shù)的進(jìn)步，未來的無人機(jī)將會躍向一個新的高度。以史為鑒，我們不難發(fā)現(xiàn)無人機(jī)發(fā)展有幾個大致方向：更精密的算法使它們變得越來越智能，而多項尖端科技的加持，減輕了無人機(jī)駕駛員在操作無人機(jī)時的負(fù)擔(dān)，使得無人機(jī)更加“來去自如”。而無人機(jī)的高速發(fā)展與科研人員的定向研究必將會使它們的成本變低，未

12、來無人機(jī)將會步入普通家庭，成為民用的攝影、探索利器。 參考文獻(xiàn) 推薦精選 [1]趙毓. 基于群體智能算法的無人機(jī)航跡規(guī)劃研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016 [2]李輝，蘆利斌，金國棟. 基于Kinect的四旋翼無人機(jī)體感控制[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2015，（08）：99-102 [3]鄒湘伏，何清華，賀繼林. 無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及相關(guān)技術(shù)[J]. 飛航導(dǎo)彈，2006，（10）：9-14. [4]高倩，徐文.國外微型無人機(jī)發(fā)展概況. 飛航導(dǎo)彈，2003，（06）：14-18 [5]李占科，宋筆鋒. 微型飛行器的研究現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)[J]. 飛行力學(xué)，2003，21（4）：124 [6]邱立葳，宋梓山，沈偉群.用于無人直升機(jī)著艦系統(tǒng)控制的計算機(jī)視覺技術(shù)研究[J].航空學(xué)報，2003，（04）. [7]劉煥業(yè)，小型四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)研究與設(shè)計，碩士學(xué)位論文，上海，上海交通大學(xué)，2009 [8]吳森唐，費(fèi)玉華。飛行控制系統(tǒng)。北京航空航天大學(xué)出版社，2005.09 （注：可編輯下載，若有不當(dāng)之處，請指正，謝謝!） 推薦精選