四旋翼飞行器机载目标视频跟踪与控制技术研究(3)

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固定翼式无人飞行器的技术已经发展的非常成熟，已成功在实际中应用；与固定翼式相比，旋翼式无人飞行器的发展要不充分得多，但旋翼式无人飞行器具有很多无法比拟的优势：如能适应各种环境；可垂直起降（VTOL）和悬停，使旋翼飞行器在起飞和降落时摆脱了场地的束缚，也使得旋翼飞行器在勘测、航拍等领域具有固定翼飞行器无法取代的优势。机动性强，高度智能化；能以悬停、倒飞、侧飞等多种姿态飞行。在军用方面，旋翼飞行器既能执行各种非杀伤性任务，又能执行各种软硬杀伤性任务，包括侦察、监视、目标截获、诱饵、攻击、通信中继等。在民用方面，旋翼飞行器在大气监测、交通监控、资源勘探、电力线路检测、森林防火等方面具有广泛的应用前景。但是旋翼式无人飞行器的动力学特性远比固定翼飞行器复杂，控制难度也大得多，发展就相对缓慢许多。近年来，旋翼无人机因其在军用和民用领域的巨大潜力，迅速成为国内外控制领域内的研究热点。

旋翼式飞行器根据旋翼数量的不同又可分为单旋翼式、共轴双旋翼式和多旋翼等种类[3]。其中, 四旋翼无人机由于体积小、安全性高、结构简单、耗能少、对飞行空间的要求低，性能卓越等特点,受到了越来越多的研究人员的关注。微小型四旋翼直升机是由四个围绕直升机中心对称分布的旋翼构成的飞行，它是一种结构简单、可以垂直起降的、多旋翼式遥控/自主飞行器。它在总体布局形式上属于非共轴式碟形飞行器，与传统的旋翼式直升机不同，四旋翼直升机具有独特的飞行控制方式，通过改变四个对称分布的旋翼的旋转速度来完成各种动作。四旋翼飞行器的机械结构更为简单，具有独特的飞行控制方式，通过改变四个旋翼的的旋转速度来来改变升力从而改变飞行器姿态和位置。且四旋翼飞行器采用对称结构，不使用尾桨来抵消主桨反转力矩，使得飞机的功耗大大减小，能源利用率提高。正是由于这种结构，使得四旋翼飞行器的旋翼转速较低，即使在飞行中桨叶接触到障碍物也不会像单旋翼飞行器那样造成巨大的破坏力，因此四旋翼飞行器可以在相对狭小的空间内飞行并且具有良好的机动性能。从而四旋翼飞行器更加适合室内飞行，且能够近距离靠近目标。

目前，四旋翼直升机没有普及的主要原因是使用单旋翼或者双旋翼直升机可以达到载重量的要求。然而四旋翼直升机的特点使得这一领域的研究依然很有吸引力，同其他结构的直升机相比。四旋翼直升机的主要有以下的优点：

（1）更高的有效载荷，与常规旋翼式飞行器相比，四只旋翼使它可以产生更大的升力，因此拥有更大的载重量[4]；

（2）控制系统简单，控制四个旋翼的转速就可以实现姿态、水平/垂直移动，不需要配备专门的反扭矩桨；

（3）噪音小，可垂直起降，在较小的空间内完成起降，适应性和隐蔽性较强；

（4）回旋的影响较小，其四只旋翼可互相抵消各自产生的反扭力矩；

（5）稳定性较高。

四旋翼的这些优点使得可以使旋翼设计的复杂性（包括体积和重量）降低，同时使自主飞行的控制算法也更加简单。当然，同其他结构的直升机相比，四旋翼直升机也存在一些缺点：

（1）更高的重量，使得载重量和重量的比率下降；

（2）四只旋翼造成更大的能量消耗；

（3）其模型具有静不稳定、高度非线性、强耦合、欠驱动等特点，；

（4）技术尚不完善。

虽然存在以上缺点，使设计其自主控制系统时比较困难，但微型四旋翼通过平衡四个螺旋桨产生的升力及力矩来实现稳定盘旋和精确飞行，相对于一般的单旋翼直升机来说，它可以采用更小的螺旋桨，进而使飞行变得更加安全，不至于使裸露在外面的螺旋桨刮到周围物体而坠毁。此外，四个螺旋桨产生的推力较单个螺旋桨产生的推力能更好的实现飞行器的静态盘旋。尽管四旋翼直升机有重量大、耗能大等缺点，但相对于其优点来说这些缺点就微不足道了。四旋翼式直升机提供了更高的有效载荷，同时潜在地简化了制造工艺和控制，使得四旋翼无人直升机具有广阔的应用前景。