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四旋翼的概念早在1907 年就已经提出，但是由于受当时技术条件的限制以及缺乏足够的控制手段，使得当时设计出的这类飞行器很笨拙，而且稳定性很差。近些年来，随着在传感器、传动装置、储能装置等方面的科技进步，四旋翼微型化有了很大进步，这也重新激发了人们对它的研究兴趣。65309
四旋翼无人机是微机电系统集成的产物，国外很多实验室和大学都有四旋翼无人机研究项目，许多研究机构成功开发了具备在简单约束环境中自主飞行能力的四旋翼无人机，但是发展在复杂环境中全自主飞行仍然是个挑战。
瑞士洛桑联邦科技学院（EPFL）OS4四旋翼无人机（见图1.1和图1.2）是由电力驱动的，可在室内/外环境全自主飞行。OS4原型是全自主四旋翼平台，该项目的研究目标是设计和开发一个自主控制四旋翼直升机系统。此外，EPFL还研究了OS4的避障问题，使用四个超声波传感器探测障碍物、一个超声波传感器测高度，并在MATLAB/SIMULINK仿真环境下进行了OS4避障模型的测试，设计了避障控制器、基于位置和速度控制的5种不同避碰方法，并做了相关测试。经实验证明，OS4在仿真环境中能够避开障碍物，安全飞行。下一步研究重点是增强平台推力，使OS4更可靠,提高自主飞行能力，改进视觉传感器以及测试航点跟随和机动避障能力[5]。
图1.1 瑞士联邦科技学院的OS4 I 图1.1 瑞士联邦科技学院的OS4 II
X-4 Flyer MarkII是ANU（Australian National University）开发的四旋翼实验平台（见图1.3），其动力学特性比早期开发的X-4 Flyer Mark I（见图1.4）更理想，飞行器的控制算法运算可由机载计算机独立完成。X-4 Flyer Mark II飞行器比其他四旋翼无人机实验平台都重，采用碳纤维机架和铝制底盘。该平台结构稳定，有特定机载航空电子设备，并且设计了一个特殊的航空弹性叶片。MATLAB仿真分析表明倒转四旋翼结构有利于四旋翼的稳定飞行，并具有较高的抗干扰能力。X-FlyerMarkⅡ采用线性SISO控制器用于姿态控制，以解决俯仰和横滚模态耦合性，并使用干扰输入模型来估计对象的执行效果，补偿器能有效调节高度和旋翼速度。
图1.3 ANU X-4 Flyer Mark I 图1.4 ANU X-4 Flyer Mark II
国防科学技术大学开展了微小型四旋翼无人机的相关技术研究。主要有两种四旋翼，图（1.5）所示四旋翼机身由两支空心铝竿构成；动力设备采用DraganflyerIII旋翼、瑞士Maxon电机以及自行设计的齿轮减速装置；飞行控制系统主要包括飞行控制计算机、旋翼转速伺服控制子系统、传感器子系统、无线通信子系统。图（1.6）所示四旋翼采用玻纤板结构，重量轻，且不易损坏。螺旋桨采用10英寸GWS三叶正反桨，经过多次飞行试验表明该桨抗撞击力强，不易折断。视频采集模块可以实时传输视频（图像压缩，可以通过WiFi实时传输），数据加载卡可记录飞行数据[6]。下一步的研究目标是实现在室外环境中高精度姿态稳定控制、全自主航点飞行、碰撞规避等实验。
图1.5 NUDT 原型样机 图1.6 NUDT 控制实验平台
斯坦福大学先后改装了两款四旋翼无人机（见图1.7和图1.8）。STARMAC I 由DraganflyerIII 改造而成，地面站通过无线控制四旋翼飞行，机载电子单元完全由斯坦福自主设计研发的电路板取代，集成了自主飞行时所需要的测量和通信功能。STARMAC I使用GPS和惯导传感器可以跟踪预定航点轨迹飞行。STARMAC II 是STARMAC I的改进型，采用碳素纤维结构，推力更大，飞行时间更长，在飞行过程中能自主控制高度和姿态，主要应用于复杂环境中搜索、营救、监视和网络中移动传感器。STARMAC工程的目的是四旋翼系统有可靠的、完全自主航点跟踪的能力，使其成为一个测试平台，具备多飞行器协同飞行水平。该项目未来的发展目标是，运用多智能体技术来提高多四旋翼协同飞行能力[7]。论文网