基于声呐测距的无人机定高飞行控制技术研究(2)
1.1 课题研究的背景
无人机，英文简称UAV(Unmanned Aerial Vehicle)，顾名思义，是一种机上无人驾驶的无人机，通常可以由无人机外的控制站发出遥控指令操纵执行任务，或者由无人机内部控制系统自主控制执行任务[1]。自20世纪中期诞生开始，无人机凭借着与有人驾驶无人机相比更小巧的体积、更低廉的造价、更方便的使用、对环境的低要求以及顽强的生存能力等优点，现今在世界各国得到了越来越多的重视。
作为一种近年来兴起的新型无人机类型，本文所研究的微小型四旋翼无人机(Quad-rotor UAV)具有其他无人机所不具备的特点，其中最重要的特点是能够垂直起降、自由悬停，适合在各种速度飞行，同时可以适应于各种飞行剖面航路的飞行状况，具有广泛的应用前景。在军事上，由于较强的恶劣环境承受能力以及战场生存能力，可以代替有人飞行器在各种危险的环境下执行任务，如用于通信中继、情报获取、地面战场侦察和监视等方面；在民用上，最常见的应用是搭载高清摄像机之后进行航拍工作，也可应用于灾后的搜索与救援、巡逻监视等。
近几年来，随着对微控制器的研究逐步深入，传感器技术和数据采集分析处理技术也取得了一些重大突破，微型四旋翼无人机的研究和发展拥有了更多可能性。它凭借其良好的机动性和低廉的成本得到了迅猛发展，在近些年逐渐成为许多国家争相研究的热点。
1.2 课题研究的意义
在四旋翼无人机的各个研究领域中，定高飞行是其中最为基础而又重要的一种。根据飞行控制理论，飞机在飞行过程中，由于飞行姿态的变化或者遇到各种气流干扰，会使得飞机的飞行高度发生变化, 这都会影响到飞机的飞行性能，因此一套可以保证飞机飞行高度的稳定系统是非常有必要的。定高飞行也是四旋翼无人机各个动作的基础，无论是执行俯仰动作、翻滚动作或是其他高难度动作都需要以定高悬停姿态作为过渡。
作为一种吹冰自由度、强耦合性的欠驱动系统，四旋翼无人无人机控制系统对系统鲁棒性提出了很高的要求[2]。同时，四旋翼无人机自身构造上的特点造成了其易受外界干扰与自身扰动影响，增加了其数学模型的建立和控制器的设计的难度。因此，对于四旋翼无人机定高飞行的研究具有一定的价值。
1.3 四旋翼无人机概述
四旋翼无人机由两对被设计为可以互相抵消反扭矩的旋翼构成，并且通过改变四个旋翼的旋转速度，可以改变他们所制造的升力和扭矩大小，从而达到改变四旋翼无人机飞行姿态的目的。由于不需要复杂的桨距控制部件，降低了控制调节的难度，而且无人机的重量也相应减小，因此是一种可以被广泛使用的无人机。
与传统的单旋翼无人机相比，四旋翼无人机具有很多优势。例如：基于更多的旋翼数量，四旋翼无人机的旋翼被设计为尺寸更小，这样带来的好处是在飞行的过程中可以更为安全。通过平衡四个旋翼的升力就可以实现四旋翼无人机的精确飞行和稳定盘旋，同样的，改变各个旋翼的转速即可使四旋翼无人机完成各种复杂的飞行动作，因此不用像固定翼无人机那样过多的将空气动力学等因素纳入考虑范围，也不用像传统无人机一样通过复杂的步骤调节桨距角。
1.4 四旋翼无人机定高控制国内外研究现状
1.5 本文的主要组织结构和完成的工作
本文主要研究四旋翼无人机基于声呐测距的定高飞行控制，从上面的叙述中可知，四旋翼的悬停控制是在其姿态平衡、位置稳定的基础上的[10]。主要需要完成的工作是通过声呐获取四旋翼无人机当前的高度信息，然后采用合适的控制策略，得到油门控制信号，使其能够在规定的高度实现定高飞行，而且有一定的克服扰动的能力。