四旋翼无人机自主飞行控制方法研究综述
四旋翼无人机研究现状及研究意义
四旋翼无人机研究现状及研究意义四旋翼无人机是一种可以进行垂直起降和悬停的飞行器。
它由四个垂直起降的电动螺旋桨和一个设备负载平台组成，可以携带各种传感器和设备，用于完成各种任务，如航拍、输送物资、监视和侦查等。
近年来，四旋翼无人机的研究不断发展，它在农业、气象、电力、物流等领域得到了广泛应用。
目前，四旋翼无人机研究的主要方向包括控制系统、感知与导航、通信与协同和物理设计等。
控制系统研究主要包括飞控算法、姿态控制和轨迹规划等，旨在提高无人机的飞行稳定性和精确性。
感知与导航研究主要关注无人机的环境感知和自主导航能力，包括视觉识别、避障和地图构建等。
通信与协同研究主要关注无人机之间的信息交流和协同任务能力，实现多机协同和群体行为。
物理设计研究主要关注无人机的结构设计和材料选择，以提高无人机的轻巧性和飞行效率。
四旋翼无人机的研究具有重要的意义。
首先，四旋翼无人机可以完成人力难以达到的任务，如航拍高空照片、观察植物生长和监测天气等，为科学研究和实际应用提供了有力的工具。
其次，四旋翼无人机可以实现航空领域的自主化和智能化，通过自主导航和协同任务能力提高飞行器的效能和安全性。
再次，四旋翼无人机在物流和运输领域的应用前景广阔，可以实现货物的快速和安全运输，减少人力和时间成本。
最后，四旋翼无人机在农业领域的应用也具有重要意义，可以实现农作物的精细管理和立体耕作，提高农业生产效益。
总之，四旋翼无人机的研究正在不断发展，它的应用领域广泛，具有重要的研究意义和实际应用价值。
在未来的研究中，需要加强控制系统的研究，提高飞行器的稳定性和控制精度。
同时，还需要加强对感知与导航、通信与协同和物理设计等方面的研究，实现无人机的自主化和智能化。
更加全面和深入的研究将促进无人机技术的进一步发展和应用。
四旋翼无人机控制原理
四旋翼无人机控制原理四旋翼无人机（Quadcopter）是一种由四个电动马达驱动的多旋翼飞行器，它通过改变电动马达的转速来控制飞行姿态和飞行方向。
在本文中，我们将探讨四旋翼无人机的控制原理，包括姿态稳定控制、飞行控制和导航控制等方面的内容。
首先，四旋翼无人机的姿态稳定控制是其飞行控制的基础。
姿态稳定控制是通过调整四个电动马达的转速，使得无人机能够保持平衡并保持所需的飞行姿态。
这一过程涉及到飞行控制器（Flight Controller）的运算和反馈控制，通过加速度计、陀螺仪和磁力计等传感器获取飞行器的姿态信息，并根据预设的飞行控制算法来调整电动马达的转速，从而实现姿态的稳定控制。
其次，飞行控制是四旋翼无人机实现飞行动作的关键。
飞行控制包括起飞、降落、悬停、前进、后退、转向等动作，通过改变四个电动马达的转速和倾斜角度，飞行控制器能够实现对无人机的飞行状态进行精确控制。
在飞行控制过程中，飞行控制器需要根据无人机的当前状态和飞行任务的要求，实时调整电动马达的输出，以实现平稳、灵活的飞行动作。
最后，导航控制是四旋翼无人机实现自主飞行和定位的重要环节。
导航控制包括位置定位、航向控制、高度控制等功能，通过全球定位系统（GPS）、气压计、光流传感器等设备获取飞行环境的信息，并通过飞行控制器进行数据处理和控制指令下发，实现无人机在空中的定位和导航。
导航控制的精准性和稳定性对于实现无人机的自主飞行和执行特定任务至关重要。
综上所述，四旋翼无人机的控制原理涉及姿态稳定控制、飞行控制和导航控制等多个方面，通过飞行控制器和传感器等设备的协同作用，实现对无人机飞行状态的实时监测和精确控制。
这些控制原理的应用，使得四旋翼无人机能够在各种环境条件下实现稳定、灵活的飞行，并具备执行特定任务的能力，如航拍、搜救、巡航等。
四旋翼无人机的控制原理不仅对于飞行器设计和制造具有重要意义，也对于无人机的应用和发展具有深远影响。
四旋翼无人机控制原理
四旋翼无人机控制原理1、控制原理飞控通过接收机接收遥控器发送的遥控信号（地面站控制时：地面站通过云航灯或电台发送给飞控的自主飞行指令），经过飞控程序处理后，通过电调来控制各个电机的转速，从而达到控制飞行器动作的目的。
2、飞控飞控即飞行控制系统是飞机的大脑，无人机在飞行过程中，利用自动控制系统，能够对飞行器的构形、飞行姿态和运动参数实施控制，其载有加速度计、陀螺仪、气压计、罗盘等传感器。
由它来控制各个电机的转速进而控制飞机的姿态，加上GPS或差分GPS可完成定点悬停，自主航线飞行等功能。
3、遥控器遥控器模式常用的有美国手和日本手，遥控器上油门的位置在左边是美国手，右边是日本手。
个人觉得美国手比较符合认知规律。
美国手（左边遥杆：上下控制油门，左右控制方向；右边遥杆：上下控制前进后退，左右控制左右移动）日本手（左遥杆：上下控制前进后退，左右控制方向；右遥杆：上下控制控制油门，左右控制左右移动）。
4、电调动力电机的调速系统成为电调，全称电子调速器（Electronic Speed Controller，简称ESC），它根据控制信号调节电动机的转速。
根据动力电机不同可分为无刷调和有刷电调，无刷电调控制无刷电机，有刷电调控制有刷电机。
无刷电调输入是直流，可以接稳压电源或锂电池。
输出是三相交流，直接与电机的三相输入端相连。
选择电调时要注意电调与电机匹配，一般根据额定载荷下通过单个电机的最大电流选择电调。
5、电机无人机上用的电机一般分为有刷电机和无刷电机，有刷电机一般用的微型航模上比如空心杯电机，目前无人机上的电机大部分用的都是无刷电机。
无刷电机通过三相交流电产生一个旋转磁场驱动转子转动，通过pwm控制速度。
小体积、高效率和稳态转速误差小等特点，无刷电机要配合电子调速器（电调）使用。
6、桨螺旋桨，将电机转动功率转化为推进力或升力。
螺旋桨高速转动时，由于桨叶特殊的机构，会在桨上下面形成一个压力差，产生一个向上的拉力，螺旋桨有两个重要的参数，桨直径和桨螺距，单位均为英寸。
四旋翼飞行器飞行控制技术综述
四旋翼飞行器飞行控制技术综述【摘要】四旋翼飞行器是一种多旋翼飞行器，具有稳定性好、机动性强等特点，被广泛应用于无人机、航拍等领域。
本文对四旋翼飞行器的发展历程、基本结构、传统飞行控制方法、先进飞行控制方法以及在不同领域的应用进行了综述。
在未来发展方面，四旋翼飞行器飞行控制技术将更加智能化、自主化，以应对更多复杂的飞行任务。
对于四旋翼飞行器飞行控制技术的展望，我们可以看到其潜力巨大，将为航空领域带来更多创新。
四旋翼飞行器的飞行控制技术在不断进步，将助力无人机等领域的快速发展和应用。
【关键词】四旋翼飞行器，飞行控制技术，发展历程，基本结构，传统飞行控制方法，先进飞行控制方法，应用领域，未来发展，展望，总结。
1. 引言1.1 四旋翼飞行器飞行控制技术综述四旋翼飞行器飞行控制技术是指通过对四个旋翼的控制，实现飞行器的姿态稳定、高度保持、定位等功能。
随着无人机技术的飞速发展，四旋翼飞行器在民用、军事、科研等领域得到了广泛应用。
在四旋翼飞行器飞行控制技术中，有传统方法和先进方法两种主流技术。
传统方法主要包括PID控制、模糊控制、神经网络控制等；而先进方法则包括了自适应控制、模型预测控制、强化学习等。
不同的控制方法各有优缺点，适用于不同的飞行场景和要求。
四旋翼飞行器也在不同领域得到了广泛应用，如农业、消防救援、电力巡检等。
未来，随着航空技术的不断进步，四旋翼飞行器飞行控制技术将迎来更大的发展空间。
展望未来，可以通过结合人工智能、大数据等技术，实现四旋翼飞行器的智能化和自主化飞行。
四旋翼飞行器飞行控制技术的不断创新将为无人机行业带来更加广阔的发展前景。
2. 正文2.1 四旋翼飞行器的发展历程四旋翼飞行器的发展历程可以追溯到十九世纪，当时已有人构想出四旋翼飞行器的概念。
但直到二十世纪二战期间，四旋翼飞行器才得到了实际应用的机会。
德国的Flettner Fl 282“鼓鼓”直升机是二战期间最著名的四旋翼飞行器之一，它在反潜侦察和护航任务中发挥了重要作用。
四旋翼飞行器飞行控制技术综述
四旋翼飞行器飞行控制技术综述四旋翼飞行器是一种由四个旋翼组成的无人机，可以垂直起降和定点悬停，具有灵活性和机动性。
它的飞行控制技术可以分为姿态控制和位置控制两种基本类型。
姿态控制是指控制飞行器姿态（包括横滚、俯仰和偏航），而位置控制则是控制飞行器的定点飞行或航线飞行。
下面将对这两种控制技术进行详细介绍。
一、姿态控制技术1. 传统PID控制PID控制是一种经典的控制方法，它通过比例、积分和微分三个分量的组合来调节系统的输出。
在四旋翼飞行器中，PID控制可以用来控制姿态，使飞行器保持平稳的飞行状态。
通过对角速度和角度的反馈控制，可以实现对飞行器姿态的精确控制。
但是PID控制也存在一些问题，比如对于非线性系统和参数变化的系统，PID控制的性能会受到影响。
2. 模糊控制模糊控制是一种可以应对非线性系统和模糊环境的控制方法。
在四旋翼飞行器中，可以利用模糊控制来实现对姿态的精确控制。
通过建立模糊规则库，可以将模糊的输入与输出进行映射，实现对飞行器姿态的控制。
模糊控制可以有效地应对系统的非线性特性，但是对规则库的设计和参数的选择需要较大的经验和技巧。
3. 神经网络控制4. 遗传算法控制遗传算法是一种模拟生物进化的优化算法，可以用来优化系统的控制参数。
在四旋翼飞行器中，可以利用遗传算法来寻找最优的姿态控制参数，从而实现对飞行器姿态的精确控制。
遗传算法能够全局寻优，但是需要大量的计算资源和较长的优化时间。
1. GPS定位控制GPS定位是一种全球定位系统，可以实现对飞行器位置的精确控制。
在四旋翼飞行器中，可以利用GPS定位进行位置控制，实现定点飞行或航线飞行。
通过GPS模块获取飞行器的位置信息，可以实现对飞行器位置的精确控制。
但是GPS在室内或密集城市地区信号可能不太可靠。
3. 惯性导航控制惯性导航是一种通过加速度计和陀螺仪获取飞行器运动信息，并通过积分计算得到飞行器位置信息的导航方法。
在四旋翼飞行器中，可以利用惯性导航进行位置控制，实现对飞行器位置的精确控制。
简述四旋翼无人机的飞行原理
简述四旋翼无人机的飞行原理四旋翼无人机是一种由四个旋翼组成的飞行器，其飞行原理基于空气动力学和动力学原理。
本文将简要介绍四旋翼无人机的飞行原理。
四旋翼无人机的飞行原理与直升机类似，都依赖于旋翼的升力产生。
旋翼是无人机的关键部件，它通过产生气流来产生升力，使无人机能够在空中悬停、起飞和降落。
四旋翼无人机的旋翼布局是四个旋翼均匀分布在机身四个角落，每个旋翼都由一个电动机驱动，并通过一个螺旋桨产生推力。
四个旋翼可以同时或分别调节旋转速度，从而实现无人机的各种飞行动作。
在飞行过程中，四旋翼无人机通过调整旋翼的旋转速度来控制姿态和飞行方向。
当四个旋翼的旋转速度相等时，无人机将保持平衡，悬停在空中。
当旋翼的旋转速度不同时，无人机将产生一个倾斜力矩，从而改变姿态。
为了实现前进、后退、左右平移等飞行动作，四旋翼无人机可以通过调整旋翼的旋转速度来产生不同的升力分布。
例如，如果想要向前飞行，可以增加后方的旋翼旋转速度，使其产生更多的升力，从而使无人机向前倾斜并产生推进力。
四旋翼无人机还需通过调整旋翼的旋转速度来实现转向动作。
如果想要向左转，可以增加右侧的旋翼旋转速度，使其产生更多的升力，从而使无人机产生一个向左的倾斜力矩。
通过调整四个旋翼的旋转速度的组合，可以实现无人机在空中的各种飞行动作。
四旋翼无人机还可以通过改变旋翼的旋转速度来调整升力大小，从而实现上升和下降。
增加旋转速度可以增加升力，使无人机上升；减小旋转速度可以减小升力，使无人机下降。
四旋翼无人机的飞行原理是通过调整旋翼的旋转速度来控制姿态和飞行方向。
通过合理调整旋翼的旋转速度的组合，无人机可以实现在空中的悬停、起飞、降落、前进、后退、左右平移和转向等各种飞行动作。
这种简洁而灵活的飞行原理使得四旋翼无人机成为目前应用广泛的一类无人机。
四旋翼飞行器飞行控制技术综述
四旋翼飞行器飞行控制技术综述四旋翼飞行器是一种利用四个独立旋转的螺旋桨来实现飞行的航空器。
它可以垂直起降，并且具有灵活的飞行能力，因此在无人机、航拍等领域得到了广泛的应用。
要保证四旋翼飞行器的安全飞行，飞行控制技术起着至关重要的作用。
本文将对四旋翼飞行器的飞行控制技术进行综述，包括飞行原理、飞行控制系统、姿态稳定控制、导航控制、避障技术等方面的内容。
一、飞行原理四旋翼飞行器的飞行原理是利用四个螺旋桨产生的升力来支撑整个飞行器，再通过改变螺旋桨的转速和倾斜角来实现飞行方向和姿态的控制。
螺旋桨的旋转产生的气流通过空气动力学原理产生升力，从而支持飞行器的重量。
通过改变四个螺旋桨的转速和相对倾斜角，可以控制飞行器的上升、下降、向前、向后、向左、向右的运动。
利用螺旋桨的差速旋转可以实现飞行器的姿态控制，从而使得飞行器可以实现各种飞行动作。
二、飞行控制系统飞行控制系统是四旋翼飞行器的核心部件，它由传感器、处理器、执行器等多个部分组成，用于感知环境、执行控制指令，实现飞行器的姿态稳定控制、导航控制和避障等功能。
传感器用于获取飞行器的姿态、位置、速度等信息，包括加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计等。
处理器用于处理传感器获取的数据，并根据飞行器的姿态、位置和控制指令来生成执行器的控制信号，执行器包括电动调节器和螺旋桨。
飞行控制系统的核心是飞控芯片，它是飞行控制系统的“大脑”，负责控制飞行器的姿态稳定、导航和飞行动作的执行。
常用的飞控芯片包括Pixhawk、Naze32、Ardupilot等，它们具有强大的计算能力和丰富的控制算法，可以实现飞行器的高度稳定性和精确控制。
三、姿态稳定控制姿态稳定控制是指通过控制飞行器的姿态角度来实现飞行器的稳定飞行。
四旋翼飞行器的姿态包括俯仰角、横滚角和偏航角，分别对应飞行器绕前后轴、左右轴和上下轴的转动姿态。
姿态稳定控制主要通过改变四个螺旋桨的转速和相对倾斜角来实现，可以采用PID控制算法、自适应控制算法等方法来实现。
四旋翼无人机控制方法研究
四旋翼无人机控制方法研究随着科技的不断发展，无人机已经成为了现代航空技术的一个重要组成部分。
四旋翼无人机由于其灵活性和易于操控的特点，已经成为了航拍、物流、农业、应急等领域的重要工具。
然而，四旋翼无人机的控制问题一直是无人机研究的热点之一。
本文将从四旋翼无人机的基本结构、运动模型和控制方法三个方面来探讨四旋翼无人机的控制方法研究。
一、四旋翼无人机的基本结构四旋翼无人机是一种翼展非常小的无人机，其基本结构包括四个旋翼、机身和飞控系统。
四个旋翼均匀分布在机身四个角落，通过无刷电机驱动旋翼快速旋转产生升力和推力。
机身部分包含电池、航空电子设备、传感器等。
飞控系统负责控制四旋翼无人机的姿态、定位和航线飞行等。
二、四旋翼无人机的运动模型为了更好地控制四旋翼无人机，需要首先了解其运动模型。
四旋翼无人机可以看作是一个刚体，其运动状态可以用欧拉角（俯仰角、翻滚角、偏航角）来描述。
四旋翼无人机的运动可以分为三个方向：竖直方向、水平方向和偏航方向。
其中，竖直方向的运动由四个旋翼同时产生的升力控制；水平方向的运动由旋翼的扭矩和倾斜控制实现；偏航方向的运动由旋翼的产生的气流的方向控制。
三、四旋翼无人机的控制方法1. 经典PID控制方法PID控制器是一种经典的控制器，其输出信号取决于误差信号（当前值与目标值之间的差异）、偏差信号（当前误差与前一次误差的差额）和积分信号（误差信号的总和）等。
经过连续地调节PID控制器的参数，可以实现四旋翼无人机的稳定控制。
2. 自适应控制方法自适应控制方法能够根据环境和被控对象的变化自动调整控制参数，适应各种不同情况。
这种方法可以提高系统的适应性和鲁棒性，但是需要较为复杂的算法和模型。
3. 模型预测控制方法模型预测控制方法是一种较为新颖的控制方法，其基本思想是通过构建四旋翼无人机的运动模型来预测其未来的运动轨迹，并通过优化预测结果来进行控制。
这种方法可以提高四旋翼无人机的控制精度和效率，但需要较高的计算能力和精确的运动模型。
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目录第一章选题背景和意义 (1)1.1选题背景 (1)1.2国内外研究现状及发展动态 (2)1.3四旋翼飞行控制器设计方法 (6)1.4论文选题的意义 (7)第二章研究方案 (8)2.1研究目标 (8)2.2研究内容 (8)2.2.1 四旋翼飞行器的基本结构和飞行原理 (8)2.2.2 四旋翼无人机自主飞行的控制 (12)2.2.4 四旋翼无人机稳定控制算法实用性分析 (14)2.3拟解决的关键问题 (14)2.3.1 无人机数学模型的建立与仿真 (14)2.3.2 四旋翼自主飞行抗扰控制器的设计与仿真 (15)2.4拟采取的研究方法及技术路线 (16)2.4.1 四旋翼无人机数学模型的建立 (16)2.4.2四旋翼自主飞行抗扰控制器的设计与仿真 (18)2.5可行性分析 (20)第三章预期研究成果与计划安排 (21)3.1预期研究成果 (21)3.2计划安排 (21)参考文献 (22)第一章选题背景和意义1.1 选题背景无人机（Unmanned Aerial Vehicles, UA V），通过在机体内装备的自主程序控制飞行或根据地面控制站无线遥控设备的操纵指令控制飞行。
近年来，以其体积小、成本低、适应性强、机动性隐蔽好、可重复使用、可替代人执行危险性大的作战任务等特点成为国内外研究的热点，并逐渐在军事、民用等诸多领域展现出巨大的应用潜力[1]。
通常无人机分为旋翼式无人飞行器和固定式无人飞行器[2]。
固定式无人飞行器出现的较早，自20世纪60年代初，美国首次使用无人机进行军事探查，并在之后的战争中起到巨大的效果，如参与中东海湾战争的“先锋”舰载无人机、科索沃战争的“掠夺者”无人机、阿富汗战争和伊拉克战争中的“捕食者”和“死神”系列无人机、“全球鹰”战略无人侦察机[3]。
随着微机电、通信、新材料和控制方法等科技的完善和研究，使得早期旋翼式无人飞行器相对复杂的工程应用找到了有效的解决方式，并且能够更好地满足如今越发复杂化的作战环境和要求。
旋翼式无人机较固定式无人机具有突出优势，它能够在狭小的空间范围中实现悬停[4]，垂直升降（VTOL, Vertical Take Off and Landing），灵活度好，结构简单。
本课题主要研究的对象是微小型旋翼式无人飞行器——四旋翼（Quadrotor）。
该飞行器的四个旋翼和四个电机分别固定在具有中心对称结构的十字架结构机身的四个端点。
改变四个电机的转速从而改变升力，实现四旋翼飞行器的轨迹和姿态控制[5]。
与单旋翼式无人飞行器相比，四旋翼飞行器布局简单，易于控制，在飞行稳定性和可操纵性上更加突出。
此外，噪声小，制造精度低，隐蔽性好以及在狭小空间中完成飞行任务等优点，使得四旋翼拥有更加大的应用潜力。
但是，微小型四旋翼飞行器是一种非完整约束的二阶欠驱动强耦合系统，在飞行过程中，四旋翼无人飞行器可以通过调节四个螺旋桨的转速直接控制其姿态角度和飞行高度，而对于飞行器的水平位置，只能通过飞行器姿态角度与水平位置之间的耦合关系来间接控制，因此实现四旋翼无人飞行器三个方向的位置控制具有较大的难度。
除此之外，由于四旋翼无人飞行器体积小并且重量轻，在飞行过程中空气阻力和阻力矩对其影响比较大，因此在设计飞行控制器时还需要考虑到时变的外部干扰问题。
除外界扰动以外，在每次飞行中，不同的负载导致飞行器的重量以及转动惯量也都会有很大程度上的差别。
由于四旋翼无人飞行器的动力学模型相对复杂，其动力学模型中的一些空气动力学参数很难准确测量，这些不确定性进一步增加了飞行控制系统设计的难度。
使得传统的控制算法无法理想地解决这些问题，也就更加难以在工程实践中达到良好控制效果。
无人机除了在飞行过程中除需要调节至指定位置及姿态以外，另外在一些特殊应用场景下，比如执行一定路径下的航拍任务或者在信号干扰较为强的区域进行巡航任务，对其路径进行预先的路径规划以及执行对此路径的跟踪具有很重要的现实意义。
但是，由于无人机在对路径跟踪时，会受到来自环境中侧风，无人机结构气动参数建模不精准以及执行结构的时延的影响，导致无人机最后无法按照预先设定的路线进行。
因此需要利用飞行器实时位姿信号反馈来控制飞行器跟踪预定轨迹来实现四旋翼无人飞行器轨迹跟踪控制。
因此，各种各样针对四旋翼的轨迹跟踪和飞行控制方法被研究提出，例如反步法[6][7]，反馈线性化[8][9]和PID[10]等。
由此可见针对微型四旋翼飞行器在复杂环境下，满足特殊飞行要求时的轨迹实现稳定的跟踪控制的研究具有一定的理论意义和实用价值。
1.2 国内外研究现状及发展动态四旋翼飞行器的概念最早是由Breguet兄弟实现的，在19 世纪初期，他们研制了第一架四旋翼飞行器，被称为Breguet-Richet“旋翼机1号”（如图1.1），焊接的四根钢管构成十字交叉分布是该旋翼机的主机体框架。
1907年9月，“旋翼机1号”实现了旋翼机携带驾驶员的首次升空[11]。
虽然第一架四旋翼飞行器没有实现稳定飞行，但极大的推进了四旋翼飞行器的发展。
图1.1 Breguet-Richet“旋翼机1号”1956年，在纽约的Amitycille，Convertawings制造了一架具有两个发动机的四旋翼飞行器（如图1.2），通过改变每个螺旋桨的转速来产生推力，进而实现该飞行器的飞行。
图1.2 Convertawings的四旋翼飞行器那段时期大多以载人四旋翼飞行器为主，原型机的性能和稳定性较差，操作性能和实用性能都很低，所以在后来的数十年中旋翼无人机几乎停止发展。
直到近十几年来，随着先进控制理论、空气动力学理论、微电子技术以及材料技术等相关学科的发展，再次掀起了以四旋翼无人飞行器为代表的多旋翼无人飞行器的研究热潮，并取得了大量的成果。
美国宾夕法尼亚大学GRASP实验室设计的四旋翼无人机不仅能够在室内实现稳定飞行、壁障及目标识别等功能，还可以实现编队协同任务（如图1.3）。
该小组摒弃了传统的传感器装置，加入红外传感器和摄像头以协助惯性测量单元进行飞行器姿态与位置信息的获取，取得了良好的控制效果[12]。
图1.3宾夕法尼亚大学研制的四旋翼无人机及编队试验斯坦福大学的无人机研究小组开展了关于四旋翼无人机的多智能体控制自主旋翼飞行器平台计划（STARMAC），该小组先后设计了两套名为STARMAC I型和STARMAC II 型的四旋翼无人机系统（如图1.4），均具有上下层控制结构，载重量可达1kg，传感器采用了IMU、GPS、声纳等模块，能够与地面站之间进行无线通讯[13][14]。
图 1.4 斯坦福大学的STARMAC I 型和STARMAC II 型此外，基于美国航空航天局的支持，斯坦福大学IIan Kroo 和Fritz 团队发展了Mesicopter 项目（如图1.5）。
该项目研制了具有四个旋翼控制的微型无人机，其具有方形结构，机身尺寸仅为16×16mm，是Mesicopter 无人机是世界上最著名的微型飞行器之一，并且为微型无人机的研究提供了一种新的思路[7]。
图1.5 Mesicopter 微型四旋翼无人机麻省理工学院（MIT）对四旋翼无人飞行器（如图 1.6）的研究较早，开展了无人机集群健康管理计划（UA V Swarm Health Management Project，UA V SHMP）[15]。
主要是使用地面遥控设备实现多架无人机在动态环境中协同合作并执行任务。
MIT 四旋翼无人机安装有IMU 惯性测量单元反馈姿态信息，以及可对周围环境感知、重建的激光扫描阵列，从而规划航迹。
在2007年，MIT 已经实现利用一台地面设备控制多架四旋翼无人机协同监督和追踪地面车辆目标（如图 1.7）。
另外，该项目还实现了多机协同和编队飞行（如图1.8）等实验。
图1.6 MIT 四旋翼无人机图1.7 多无人机协同跟踪实验图 1.8 MIT 多无人机编队飞行实验多旋翼无人机不仅在许多国家的高校与科研机构得到广泛的研究，越来越多的多旋翼无人机研制公司也逐渐壮大起来，在民用领域得到了广泛的应用。
一款研制较早并非常具有代表性的遥控四旋翼无人机是加拿大Draganflyer Innovations 公司制造，命名为Draganflyer X-4（如图1.9）。
该四旋翼无人机采用碳纤维作为机体材料，整机重量481.1g，可载重113.2g，持续飞行16至20分钟。
利用机载的3个压电晶体陀螺仪提供自身姿态信息，而机载电子设备可利用这些信息调节4个电机的转速进行飞行器的姿态稳定控制。
图1.9 Draganflyer X-4 无人机图1.10 MD4-200 无人机图1.10的MD4-200四旋翼无人机是德国MICRODRONES公司采用碳纤维材质制作而成，使用盘式直流无刷电机进行驱动，以及锂电池供电。
在室内和室外可实现稳定飞行与定点悬停，自推出后在欧洲市场取得巨大的成功，但主要是通过地面的操作人员进行遥控飞行。
从上述可以看出，许多国外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。
1.3四旋翼飞行控制器设计方法无人机的精确航迹跟踪是实现无人机自主飞行的基本要求。
由于四旋翼无人机存在姿态与平动的耦合关系，因此实现姿态的稳定控制是实现轨迹有效稳定跟踪的关键。
对此近十年来，对于四旋翼无人机的姿态控制与轨迹跟踪控制的研究获得了众多的研究成果。
Zheng等人[16]将四旋翼无人机分为全驱动与欠驱动两个子系统，分别采用一种鲁棒终端滑模控制算法与欠驱动滑模控制算法进行轨迹控制，通过仿真实验证明两个算法的复合控制在外界干扰情况下具有准确的轨迹跟踪效果。
S. S. Cruz等人[17]首先利用Lagrange方程构建四旋翼飞行器的动力学模型，接下来设计了基于Lyapunov分析的嵌套式饱和轨迹跟踪控制算法，并证明了系统的稳定性，通过实验表明控制算法的有效性。
Gomez Balderas 等人[18]提出了基于视觉控制的四旋翼飞行器，首先采用牛顿-欧拉公式建立动力学模型，使用相机估计飞行器的速度与位置，并引入非线性饱和控制，最终通过实验证明了控制策略的有效性。
Gonzalez I 等人[19]提出了基于直流无刷电机速度反馈的姿态稳定控制器，内环控制电机速度，外环控制四旋翼无人机的姿态，并保证了闭环系统的稳定性，最终通过实验证明了该算法具有良好的姿态控制效果。
此外，还有大量的控制算法被应用于四旋翼无人机系统控制中[20]。
受到加工工艺水平以及安装过程的影响，实际的四旋翼无人机系统参数与理论计算的模型之间存在一定的偏差，尤其加入负载后，会出现质量的变化以及飞行器重心位置的偏移，这些给建立精确的四旋翼无人机模型带来了困难。