文献综述
1、课题现状和发展趋势
无人机是利用无线电遥控装置和自备程序控制操纵的不载人飞行器，从技术角度定义，无人机可以分为无人固定翼飞机、无人伞翼机、无人垂直起降飞机、无人直升机、无人多旋翼飞行器等。与载人飞机比，无人机具有造价低、体积小、使用方便、对环境要求低等优点，因此受到世界上各个国家、各个公司的研究关注，并广泛运用于军事领域和民用领域[1,2]。四旋翼飞行器是无人多旋翼飞行器的一种，它采用四个旋翼作为飞行的直接动力，是一种具有四个螺旋桨呈十字形交叉的飞行器[3,4]。四旋翼飞行器具有机械结构简单、操纵灵活方便和机动性强的特点，可以在非常小的空间中稳定飞行。现在四旋翼飞行器广泛用于航拍、运输、勘探、搜索营救、高压线巡检等任务，需求量日益增大。
四旋翼飞行器这种结构在1907年就首次出现，由BreguetBrothers制作完成[5]，该四旋翼直升机有四个直径8.1m的桨叶，手工调节动力的大小，然而没有设计控制系统，不能实现自主飞行。接下来的19世纪20年代和30年代，美国陆军航空勤务部（United States Army Air）展开了一系列四旋翼飞行器的研究项目，但由于当时各方面条件都不成熟，使控制过于复杂，美国陆军对这一项目失去兴趣，四旋翼飞行器的发展陷入低谷。
1956年美国卡普兰设计了一架具有两个发动机的四旋翼飞行器Convertawing，该四旋翼飞行器的桨叶直径超过了5.8m，可以通过改变每个螺旋桨的推力来控制飞行，取得了圆满的成功，该控制方法可以说是四旋翼飞行器控制的启蒙。
近二十年来，随着微机电系统、材料学、机械学、传感器、控制理论的发展，多旋翼飞行器又成为研究的热点，各种新型四旋翼飞行器被不断制造出来[6]。现在四旋翼飞行器的研究主要集中在数学建模、结构设计、视觉识别、遥控导航、飞行姿态控制、飞行器群协同控制和能源动力方面。国内外的诸多单位和高校也研制出了一大批典型的结果，其中，国外比较著名的研究机构有宾夕法尼亚大学VijayKumar领导的GRASP实验室、苏黎世联邦理工学院的自主系统实验室（ASL），斯
坦福大学研究的STARMAC多飞行器平台，美国麻省理工学院的航空航天控制实验室等等。
宾夕法尼亚大学Vijay Kumar教授领导GRASP的实验室搭建了室内多无人机实验平台，用来研究多无人机的协同飞行。该平台采用Hummingbird系列的四旋翼无人机，该型号无人机叶尖距离55cm，重量500g，可以飞行20min。Hummingbird四旋翼飞行器的控制器提供底层和顶层两种编程控制接口，底层接口用于用户写入自定义的控制算法，顶层编程自带姿态控制算法，可以开发位置控制，轨迹跟踪等应用。其多无人机实验平台通过室内定位系统来检测无人机上的标记点，并实时将无人机的姿态数据和位置信息反馈至地面控制站，地面决策后向空中的无人机发送控制指令，改变分行姿态。该四旋翼飞行器具有较好的稳定性和鲁棒性[7]。
斯坦福大学设计的STARMAC四旋翼飞行器平台是一种能在户外飞行的无人机，它采用了惯性测量单元（IMU）、GPS导航单元、声呐单元、嵌入式微控制器和蓝牙通讯单元[8]。该四旋翼飞行器在飞行过程中通过卡尔曼滤波对GPS/INS等信息进行处理，获取四旋翼飞行器的姿态信息和位置信息，通过超声波单元和红外单元来获得距离和高度的信息；飞行器通过蓝牙与地面基站进行无线通信[9]。STARMAC飞行器可以完成室外的定点悬停和轨迹跟踪任务[10,11]。
麻省理工学院的航空控制实验室（ACL）UAV Swarm项目主要研究多无人机的协同飞行，它以商业四旋翼飞行器Draganflyer V Ti Pro为平台，基于视觉传感器开发了四旋翼飞行器的视觉导航系统，并以此为基础实现了四旋翼飞行器的位置跟踪和定位功能。该实验室以视觉导航系统设计的四旋翼飞行器的飞控系统[12]，已经实现了无人机群与地面无人车的协作[13],现在开发出了可变旋翼的四旋翼飞行器[14]。
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