西安電子科技大學(xué)傅豐林2017-12-16關(guān)于四旋翼飛行器一、為什么要出四旋翼飛行器題二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

目錄3

1.21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)21世紀(jì)是科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的時(shí)代,各學(xué)科間相互交叉、相互滲透進(jìn)一步深化,科學(xué)技術(shù)綜合化、整體化的趨勢(shì)日益增強(qiáng)。協(xié)同創(chuàng)新、交叉融合、群體突破、系統(tǒng)集成演進(jìn)趨勢(shì)更加突出，充分體現(xiàn)了“學(xué)科交叉、技術(shù)融合”的學(xué)術(shù)特點(diǎn)。21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的突出特點(diǎn)是:高速度發(fā)展,高起點(diǎn)探究,短周期轉(zhuǎn)換,綜合化趨勢(shì),大科學(xué)體系。四旋翼飛行器涉及計(jì)算機(jī)學(xué)科、自動(dòng)控制、信息與通信工程、機(jī)械工程等學(xué)科。小型無(wú)人機(jī)主要技術(shù)內(nèi)容如圖1所示。一、為什么要出四旋翼飛行器題

4一、為什么要出四旋翼飛行器題

圖1小型無(wú)人機(jī)主要技術(shù)內(nèi)容5

2.四旋翼飛行器的應(yīng)用四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直起降機(jī)，因此非常適合靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下飛行。四旋翼飛行器隸屬于多旋翼飛行器。相對(duì)于固定翼飛行器其具有適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，可以多種姿態(tài)飛行，如懸停、前飛、側(cè)飛和倒飛等。相對(duì)于直升機(jī)，其穩(wěn)定性好、靈活性好，但控制系統(tǒng)復(fù)雜。雖然國(guó)際上對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，并已將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)入智能飛行，投入商業(yè)應(yīng)用。

近年來(lái)，隨著傳感器、驅(qū)動(dòng)器、處理器以及能源供給等在技術(shù)方面有了突破性的發(fā)展，四旋翼飛行器的開一、為什么要出四旋翼飛行器題

6發(fā)和研制也掀起熱潮。在短時(shí)間內(nèi)就吸引了許多研究者的注意，并很快成為當(dāng)今國(guó)際上一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。四旋翼飛行器因其垂直起降、空中懸停、大容量數(shù)據(jù)傳輸能力、使用維護(hù)簡(jiǎn)便、使用維護(hù)成本低、無(wú)需起飛場(chǎng)地等特點(diǎn)，其用途廣泛，涉及領(lǐng)域多，目前四旋翼飛行器主要用途如下：

軍隊(duì)?wèi)?yīng)用：叢林的監(jiān)視和偵察、戰(zhàn)術(shù)偵察和瞄準(zhǔn)、排爆、反海盜、邊防監(jiān)測(cè)、空中偵察、巡邏攻擊機(jī)等。無(wú)人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)；生存能力強(qiáng)，機(jī)動(dòng)性能好，使用方便，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中有極其重要的作用。

警察應(yīng)用：人質(zhì)解救和人員搜救、嫌犯和失蹤人口一、為什么要出四旋翼飛行器題

7查找、交通和人群控制、監(jiān)視、情報(bào)和證據(jù)收集、反恐、處理突發(fā)事件等。

政府應(yīng)用：森林防火、國(guó)土監(jiān)管、氣象災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害、災(zāi)后救援（航拍）、城市規(guī)劃、測(cè)繪、國(guó)土資源勘探、醫(yī)療、病蟲害防治、防汛抗旱、海事監(jiān)測(cè)等。

四川涼山“懸崖村”首次迎來(lái)無(wú)人機(jī)“流動(dòng)診所”，所載常備藥品將用于補(bǔ)充村醫(yī)務(wù)室的藥柜。一、為什么要出四旋翼飛行器題

8一、為什么要出四旋翼飛行器題

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工業(yè)應(yīng)用：電力巡線、電力架線、礦產(chǎn)勘探、氣體泄漏檢測(cè)、建筑工地的計(jì)劃和監(jiān)視、場(chǎng)地和基礎(chǔ)設(shè)施安全等。

商業(yè)應(yīng)用：物流、餐飲服務(wù)、旅游、保險(xiǎn)行業(yè)、新聞和廣告、攝影、攝像、影視劇拍攝、三維測(cè)繪等。

3.四旋翼飛行器的技術(shù)難點(diǎn)技術(shù)難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：第一，微小型四旋翼飛行器是一個(gè)具有六自由度(位置與姿態(tài))和4個(gè)控制輸入(旋翼轉(zhuǎn)速)的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其控制設(shè)計(jì)比一般全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要難的多。此外，它還具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合等特性，這使得飛行控制系一、為什么要出四旋翼飛行器題

10統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得非常困難。比如飛行器在轉(zhuǎn)彎或橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，飛行器傾斜，此時(shí)升力在水平方向產(chǎn)生分力，垂直方向上的分力減小，如何控制保持飛行器在垂直方向上高度不變。

第二，四旋翼飛行器的自穩(wěn)控制。飛行器在飛行過程中同時(shí)受到多種物理效應(yīng)的作用，比如受到氣流等外部環(huán)境的干擾。操縱者很難及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，這需要飛行控制系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。另外，當(dāng)四旋翼飛行器的負(fù)載改變時(shí)，其質(zhì)量也會(huì)發(fā)生變化。例如噴灑農(nóng)藥的農(nóng)用四旋翼無(wú)人飛行器，它在實(shí)施作業(yè)的飛行過程中由于農(nóng)藥不斷的消耗，飛行器的重量是在不斷變化的。如一、為什么要出四旋翼飛行器題

11何保持飛行器在高度方向上不發(fā)生改變。這些不確定性將大大增加了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度。第三，由于四旋翼飛行器有效載荷較小，難以搭載較多的傳感器，對(duì)四旋翼無(wú)人飛行器進(jìn)行狀態(tài)測(cè)量是比較困難的，精度也不高；這對(duì)系統(tǒng)的控制穩(wěn)定有很大的影響，大大限制了四旋翼飛行器的發(fā)展。一、為什么要出四旋翼飛行器題

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4.四旋翼飛行器技術(shù)發(fā)展方向

（1）智能傳感器技術(shù)智能傳感器帶有微處理機(jī)，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。與一般傳感器相比，智能傳感器具有以下特點(diǎn)：通過軟件技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的編程自動(dòng)化能力；功能多樣化；高可靠性和高穩(wěn)定性。飛行器戰(zhàn)場(chǎng)上實(shí)際應(yīng)用，需要攜帶電視攝像機(jī)、紅外、激光等各種超輕重量的傳感器，其感知系統(tǒng)由多個(gè)傳感器集合而成，采集的信息需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，使用智能傳感器就可以將信息分散處理，從而降低成本。采用智能傳感器可進(jìn)一步提升一、為什么要出四旋翼飛行器題

13飛行器的性能，提高飛行器的智能水平。因而傳感器智能化是傳感器技術(shù)發(fā)展的重要方向。（2）自主控制技術(shù)條件不確定的前提下，將最優(yōu)化求解問題近實(shí)時(shí)或者實(shí)時(shí)地予以解決，是自主控制目前面臨的最大挑戰(zhàn)。而高智能化以及高自主控制是未來(lái)四旋翼飛行器的發(fā)展方向。未來(lái)的發(fā)展要求中，四旋翼飛行器必須能夠依照設(shè)定的航路自主完成任務(wù)，并能夠依照形勢(shì)，自主的控制決策，這就要求飛行器具備一定的復(fù)雜問題處理能力，能夠在不確定性的條件中自主決策。飛行器的自主控制的核心技術(shù)便是人工智能，人工智能技術(shù)水平的高低直接決定了飛行器的自主控制水平。一、為什么要出四旋翼飛行器題

14而在這一問題上，仿生感知、仿生控制成為了自主控制技術(shù)發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。（仿生學(xué)是指模仿生物建造技術(shù)裝置的科學(xué)，它是一門新的邊緣科學(xué)）

（3）多機(jī)編隊(duì)協(xié)同控制技術(shù)在任務(wù)的執(zhí)行過程中，飛行器由于各類主客觀原因會(huì)有所損失。若僅僅只有單飛行器執(zhí)行任務(wù)，那么一旦出現(xiàn)突發(fā)情況，飛行器不得不脫離任務(wù)，致使任務(wù)失敗。但是若執(zhí)行任務(wù)的飛行器有多個(gè)，以編隊(duì)的方式執(zhí)行任務(wù)，那么出現(xiàn)單個(gè)飛行器脫離任務(wù)，只會(huì)影響任務(wù)完成度。無(wú)人機(jī)在編隊(duì)飛行中，通過共享信息可以隨時(shí)變化隊(duì)形，并自主靈活地應(yīng)對(duì)突發(fā)事件，另外還可以在隊(duì)伍中編入備用飛行器，以一、為什么要出四旋翼飛行器題

15保證任務(wù)的執(zhí)行程度。在戰(zhàn)場(chǎng)中，任務(wù)的復(fù)雜性、多變性較高，因而這種冗余度、可靠性可以確保任務(wù)更好地完成，編隊(duì)飛行的突出特點(diǎn)便在此。飛行器的單獨(dú)荷載量有限，因此單個(gè)飛行器執(zhí)行任務(wù)的困難度較高，而編隊(duì)協(xié)同的方式可以有效提高飛行器應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力，提高完成任務(wù)的成功率，在干擾任務(wù)以及偵查任務(wù)中發(fā)揮巨大的優(yōu)勢(shì)。但是對(duì)飛行器進(jìn)行編隊(duì)需要建立在完善的分布控制技術(shù)之上的，因此必須予以深入研究。

當(dāng)前，人們提出并采用多種傳感器、藍(lán)牙無(wú)線通信、嵌入式微控制器等技術(shù)，設(shè)計(jì)出一款基于物聯(lián)網(wǎng)的微型四旋翼飛行器。一、為什么要出四旋翼飛行器題

16二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

早在1907年，Breguet-Richet就讓世界上第一架四旋翼飛行器升上了天空。四旋翼飛行器最開始發(fā)展的時(shí)代，由于當(dāng)時(shí)資源有限，各種技術(shù)不發(fā)達(dá)，四旋翼飛行器的體型非常大，并且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，這使得四旋翼飛行器的發(fā)展一直很緩慢。但在信息高度發(fā)展的現(xiàn)代，各種技術(shù)已經(jīng)成熟，四旋翼飛行器得到了快速的發(fā)展，如圖2所示。17二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

圖2發(fā)展過程18

目前的四旋翼飛行器總體分為三類：（1）通過遙控操作的航模四旋翼飛行器。通過遙控操作的航模四旋翼飛行器的代表是國(guó)際上大公司生產(chǎn)的DraganflyerX8和X-UFO，國(guó)內(nèi)主要的研發(fā)制造公司有大疆科技、億航科技等，在飛行器的技術(shù)推廣方面做了大量工作，其應(yīng)用前景吸引了各種資本的注入。（2）小型四旋翼飛行器。美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研究員丹尼爾·梅林杰的研究團(tuán)隊(duì)在微型四旋翼飛行器的編隊(duì)控制領(lǐng)域取得了技術(shù)突破，基本完成了工程化推進(jìn)，對(duì)于大量飛行器之間的協(xié)同配合編隊(duì)的算法與通訊方面進(jìn)行了全面的研究。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院等幾所大學(xué)研二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

19發(fā)了幾種小型的四旋翼飛行器，其中一種OS4Ⅰ類型的最大長(zhǎng)度73cm,質(zhì)量為235g；（3）微型四旋翼飛行器。美國(guó)麻省理工學(xué)院基于計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能技術(shù)，完成了飛行器自主定位于環(huán)境探測(cè)，斯坦福大學(xué)研制了尺寸為16cm×16cm新型微型四旋翼飛行器，為該類飛行器的開發(fā)提供了新思路。德國(guó)在2006年研發(fā)成功md-200飛行器，各國(guó)在警察、消防等領(lǐng)域大量應(yīng)用該類微型四旋翼飛行器。國(guó)際相關(guān)研究已到達(dá)極高水平，如：四旋翼飛行器彈鋼琴；四旋翼飛行器倒立擺；打乒乓球；讓身邊的小物件飛起來(lái)。二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

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這是人類史上一個(gè)恐怖武器——?dú)⑹謾C(jī)器人！這個(gè)殺手機(jī)器人，其實(shí)是一架體型很小的智能無(wú)人機(jī)，就跟蜜蜂一樣大，但它的處理器比人類快100倍，可以躲避人類各種追蹤。二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

21我國(guó)高校四旋翼飛行器研究起步較晚，在2000年后才開始研究，從競(jìng)賽情況看，水平不大高，從三屆競(jìng)賽成績(jī)可以看出。二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

222013題四旋翼自主飛行器（B題）【本科題】一、任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一架四旋翼自主飛行器。飛行區(qū)域俯視圖和立體圖分別如圖1和圖2所示。二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

23二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

圖1飛行區(qū)域俯視圖（圖中單位：cm）24二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

圖225二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

二、要求

1.基本要求

（1）四旋翼自主飛行器（下簡(jiǎn)稱飛行器）擺放在圖1所示的A區(qū)，一鍵式啟動(dòng)飛行器起飛，飛向B區(qū)，在B區(qū)降落并停機(jī)；飛行時(shí)間不大于45s。（2）飛行器擺放在B區(qū)，一鍵式啟動(dòng)飛行器起飛；飛向A區(qū)，在A區(qū)降落并停機(jī)；飛行時(shí)間不大于45s。2.發(fā)揮部分

（1）飛行器擺放在A區(qū)，飛行器下面擺放一薄鐵片，一鍵式啟動(dòng)，飛行器拾取薄鐵片并起飛。（2）飛行器攜帶薄鐵片從示高線上方飛向B區(qū)，并26二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

在空中將薄鐵片投放到B區(qū)；飛行器從示高線上方返回A區(qū)，在A區(qū)降落并停機(jī)。

（3）以上往返飛行時(shí)間不大于30s。（4）其他。27二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

●競(jìng)賽情況：

選題情況：選題率10.2%，715隊(duì)；完成情況：不完全統(tǒng)計(jì)，近一半隊(duì)沒能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定成功起飛；只能起飛離地32%；能完成基本要求和部分發(fā)揮部分的占17%。

28二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

2015年多旋翼自主飛行器（C題）【本科組】一、任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一架帶航拍功能的多旋翼自主飛行器。飛行區(qū)域俯視圖和立體圖分別如圖1和圖2所示。

29二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

圖1飛行區(qū)域俯視圖（圖中長(zhǎng)度單位：cm

）30二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

圖2（圖中長(zhǎng)度單位：cm

）31二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

二、要求

1.基本要求（1）多旋翼自主飛行器（下簡(jiǎn)稱飛行器）擺放在圖1所示的A區(qū)，開啟航拍，一鍵式啟動(dòng)，飛行器起飛；飛向B區(qū)，在B區(qū)中心降落并停機(jī)；航拍數(shù)據(jù)記錄于飛行器自帶的存儲(chǔ)卡中，飛行結(jié)束后可通過PC回放。飛行高度不低于30cm；飛行時(shí)間不大于30s。（2）飛行器擺放在圖1所示的A區(qū)，一鍵式啟動(dòng)，飛行器起飛；沿矩形CDEF逆時(shí)針飛行一圈，在A區(qū)中心降落并停機(jī)；飛行高度不低于30cm；飛行時(shí)間不大于45s。（3）制作一個(gè)簡(jiǎn)易電子示高裝置，產(chǎn)生示高線h1、32二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

h2（如激光等），h1、h2位于同一垂直平面，飛行器觸碰h1、h2線時(shí)該裝置可產(chǎn)生聲光報(bào)警。示高線h1、h2的高度在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)可以調(diào)整。范圍為30cm~120cm。2.發(fā)揮部分（1）飛行器擺放在A區(qū)，飛行器下面擺放一小鐵板M1，一鍵式啟動(dòng)，飛行器拾取小鐵板M1并起飛。飛行器攜帶小鐵板M1從示高線h1、h2間飛向B區(qū)，并在空中將小鐵板M1投放到B區(qū)中心；飛行器從示高線h1、h2間飛回A區(qū)，在A區(qū)中心降落并停機(jī)。飛行時(shí)間不大于30s。小鐵板M1形狀不限，重量20g、100g、200g三擋自選，重量重得分高。h1、h2高度差小得分高。33二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

（2）飛行器擺放在A區(qū)，小鐵板M2擺放在B區(qū)任意位置；一鍵式啟動(dòng)，飛行器飛到B區(qū)尋找并拾取小鐵板M2，攜帶小鐵板M2飛回A區(qū)，在A區(qū)中心降落并停機(jī)。飛行高度不低于30cm；飛行時(shí)間不大于30s。小鐵板M2為邊長(zhǎng)5cm的正方形，重量不限。（3）其他。

●競(jìng)賽情況（以上報(bào)全國(guó)隊(duì)為樣本）基本要求（1）、（3）完成較好；基本要求（2）完成度不如發(fā)揮部分（1）；發(fā)揮部分（2）無(wú)參賽隊(duì)成功。34二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

35二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

2017年四旋翼自主飛行器探測(cè)跟蹤系統(tǒng)（C題）【本科組】一、任務(wù)設(shè)計(jì)并制作四旋翼自主飛行器探測(cè)跟蹤系統(tǒng)，包括設(shè)計(jì)制作一架四旋翼自主飛行器，飛行器上安裝一向下的激光筆；制作一輛可遙控小車作為信標(biāo)。飛行器飛行和小車運(yùn)行區(qū)域俯視圖和立體圖分別如圖1和圖2所示。36二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

圖1飛行區(qū)域俯視圖（圖中單位：cm）37二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

圖2（圖中單位：cm）38二、我國(guó)高等學(xué)校四旋翼飛行器教學(xué)與國(guó)外的差距

二、要求

1.基本要求（1）四旋翼自主飛行器（以下簡(jiǎn)稱飛行器）擺放在圖1所示的A區(qū)，一鍵式啟動(dòng)飛行器，起飛并在不低于1m高度懸停，5s后在A區(qū)降落并停機(jī)。懸停期間激光筆