MATLAB微型四旋翼无人飞行器的设计与控制(2)
1．1 课题研究的背景及意义
无人飞行器（Unmanned Aerial Vehicle）是指具有动力装置，不载人员的飞行器。与有人驾驶的飞行器相比，无人飞行器具有很多优势，它造价低、体积小、使用方便、对环境的要求低且战场生存能力强，因此得到了世界各国的重视[1]。
无人飞行器（UAV）可分为固定翼无人飞行器和旋翼式无人飞行器。固定翼无人飞行器过去就得到了很好的发展，现在在技术上已经非常成熟，并在先前的军事活动中充分展示了它们优越的性能。与固定翼无人飞行器相比，旋翼式无人飞行器发展则要缓慢得多。这是因为旋翼式无人飞行器的控制比固定翼的要复杂很多。但是旋翼式无人飞行器具有固定翼无人飞行器无法企及的优点，它可以进行垂直起降，对起飞的要求低，能以悬停、前飞、侧飞甚至倒飞等各种姿态飞行，所以能够适应各种复杂环境。因此旋翼式无人飞行器具有广阔的应用前景。
在旋翼式无人飞行器这个家族中，四旋翼无人飞行器由于其独特的结构布局和更便于的实现小型化、微型化的特点[2]使其对广大科研人员具有很强的吸引力。与普通的的单旋翼无人飞行器相比，四旋翼无人飞行器可以采用小的多的旋翼，从而可以尽量减少因为旋翼碰到物体而坠机的事故，使飞行的安全性有了极大的提高。另外，四旋翼无人飞行器是通过控制四个旋翼产生的力来控制飞行的，它与单个旋翼相比能更容易实现无人飞行器的悬停。
近年来，随着无人飞行器控制理论的快速发展以及微机电(MEMS)、微惯导(MIMU)和新型材料等技术的不断进步，飞行器微型化和信息化的进程不断加快。许多国家开始着重研发微型无人飞行器。微型四旋翼无人飞行器作为一种新型的无人飞行器，拥有许多其他飞行器不具备的优势，在民用领域和军用领域都有着广阔的应用前景。它特别适合在复杂狭小的环境中(如室内和城区等)执行监视、侦察等任务，同时，它还是火星探测飞行器的重要研究方向之一。另外，微型四旋翼无人飞行器以其独特的飞行控制方式（通过控制四个旋翼的转速来实现对飞行的控制）和低廉的成本已经引起了研究人员的关注，逐渐成为国际上的研究热点。
1.2 四旋翼飞行器的发展
飞翔是人类的一个久远的愿望。从十八世纪后期，气球把人送到空中开始，人类就为能在空中翱翔付出了艰辛的努力。1903 年，莱特兄弟成功研制出了世界上第一架能载人飞行的飞机，开创了人类飞行实验的新纪元，揭开了近代航空发展史的序幕。与此同时，四旋翼飞行器也开始出现在航空史的舞台上。
1907年，在Richet 教授的指导下，来自于钟表制造世家的Breguet 兄弟制造了世界上第一架四旋翼飞行器。Breguet-Richet四旋翼飞行器的框架按水平十字交叉形式分布，在对角线位置上的旋翼一对绕顺时针方向旋转，另一对绕逆时针方向旋转。据说在飞行试验中该飞行器飞了起来，但它在这次飞行中没有配备飞行操作系统，也没有用到任何的控制，可想而知，它的飞行稳定性是非常差的[3]，飞行的时间也很短。尽管如此，它完全可以被认为是四旋翼飞行器发展的起点。
到了1956年的时候，四旋翼飞行器的研究取得了突破性的进展， Convertawings 公司在纽约建造了一架四旋翼飞行器。该飞行器的螺旋桨的直径超过了19 英尺，并且被安装在一个“H”形的支架上。该四旋翼飞行器首创性的在设计中使用了两个发动机，通过控制螺旋桨的转速控制飞行器的飞行。
在二十世纪初期，由于受到科技发展水平和控制理论知识的限制，四旋翼飞行器不能获得较好的飞行控制效果。当时对飞行器的功能需求较为简单，因此与其他的飞行器相比，四旋翼飞行器没有特别大的优势，因此没能得到足够的重视和发展。但在近年来，随着微电子机械系统技术的迅猛发展和微米纳米科技的蓬勃兴起[4,5]，以及在功能上对微小型无人飞行器需求的不断增大，微型四旋翼无人飞行器凭借其良好的机动性和低廉的成本得到了迅猛发展，逐渐成为许多国家争相研究的热点。目前，世界上的四旋翼无人飞行器基本上都属于微小型无人飞行器，根据有无人控制可以分两类：遥控飞行和自主飞行。