图1.1  EWZ-S四旋翼无人机

无人直升机(UMH)的发展经历了一个较长的逐步改进与提高的过程,美国20 世纪50 年代就开始研究UMH，到1960 年8 月12 日世界上才首次出现有实用价值的UMH，即美国的QH-50A[5]。  80 年代后，许多发达国家加快了UMH研制的步伐，目前国外已有许多国家在研究和生产UMH，包括美国、以色列、英国、德国、法国、奥地利、瑞典、日本等。然而，由于技术的复杂性，迄今只有少数UMH 正式装备部队或投入实际应用[1]。  从20世纪50 年代到现在先后涌现出许多独特的小型无人直升机，各种新概念的无人直升机层出不穷，其中最引人注目的是一系列外形如飞碟的飞行器，如美国的“Cypher”、 加拿大的“CL-327”等。源[自[751``论`文]网·www.751com.cn/

四旋翼飞机由于其结构复杂、操纵性差等缺点导致其研究进展较为缓慢。近些年来,随着新型材料、微机电、微惯导技术和飞行控制理论的发展,四旋翼无人直升机受到了越来越多地关注。而四旋翼无人直升机的飞行控制系统是四旋翼无人直升机至关重要的组成部分，它决定了四旋翼无人直升机飞行性能的优劣[22]，针对四旋翼无人直升机的独特性能，重点研究其数学建模以及飞行控制律的设计问题，采用数学建模控制的方法设计四旋翼无人直升机飞行控制律[2]。

1.2  国内外发展现状

1.3  课题研究内容和方法

    本文在讨论了四旋翼无人机数学模型和飞行控制方式的基础上，应用经典控制理论设计了其飞行PID控制律，并进行仿真分析。

    第一章绪论，分析了四旋翼无人直升机的特点，概述了其在国内外的发展现状，简要介绍了四旋翼无人直升机的原理、特点和发展前景。

第二章首先简单讨论了四旋翼无人机的飞行运动方式和特点。然后，通过对作用在无人机上的力和力矩分析，建立了四旋翼无人机的运动学数学方程，这是实现控制系统的基础和前提。

第三章中对四旋翼无人直升机飞控系统基本原理作了概述，并应用经典控制方法设计了四旋翼无人直升机姿态角控制的PID控制律。

第四章中对所设计的控制律进行了仿真验证和分析。并讨论四旋翼无人直升机在不同飞行速度和条件下所设计控制律的控制有效性。

2  四旋翼无人直升机的动力学数学模型

本章以四旋翼无人直升机区别于常规UMH 的结构和气动构型为出发点，阐述了四旋翼无人直升机的基本运动形式，分析了其飞行运动的控制方式。相较于以往的一些论文中对四旋翼无人直升机数学模型的推导，本文较全面的分析了某四旋翼无人直升机的动力学特性，在推导动力学模型时充分考虑了作用在无人机上的各个外力和外力矩，使得到的数学模型更能逼近无人机的真实特性。[12]

2.1  四旋翼无人直升机的结构配置及特点分析文献综述

    四旋翼无人直升机采用了轴对称的基本布局，其机械结构简单，四个旋翼均匀分布，中间装载必要的机用设备。在某四旋翼无人机中，四个旋翼处于同一高度平面，垂直装在机体轴上，通过调整四个旋翼转速的大小，可实现该无人机各个方向的运动[12]。