无人机，通常是指具有动力装置，机上无驾驶员，能够实现自主飞行的飞行器，是近几年兴起的一个热门领域^[1]。在无人机的制作中不仅有用电做能量的，还有使用柴油动力的，所以会有油动驱动和电动驱动两种驱动方式。油动驱动主要应用在大型模型中，动力足，续航时间长。一般的航空模型只需利用锂聚合物电池就可以。电机驱动系统是控制四旋翼无人机系统的伺服机构，也是控制无人机飞行姿态和轨迹的关键部件，其性能的好坏直接影响着飞行控制系统的性能和安全^[2]。本课题将要讲述的电机驱动系统为无传感器类型，相比有传感器的电机驱动系统，其优点在于体积小、电机内阻小，重量小，启动电流和启动转矩更小，硬件成本低。

近年来,高分子材料学、空气动力学、理论力学和控制理论等基础学科的得到了快速发展,同时为无人机的发展及应用提供了有利的条件^[3]。目前，旋翼无人机技术仍属于国际前沿技术，由美国、日本、英国、德国等少数国家掌握，由于无人机在军事上的应用价值，这些技术对国内进行了严格封锁和保密。国外的四旋翼无人机因拥有悠久的科学文化历史和研发团体机构，使多旋翼飞行器的研究和应用得到飞速发展。欧美发达国家的四旋翼飞行器已经投入了商业、军事领域，获得了显著的效果。如德克萨斯州大学阿灵顿分校的Frank Lewis课题组研发的四旋翼无人机^[4]。Air To Air 公司研制的Draganfly四旋翼无人机，飞行器配套使用手持式遥控装备、无线视频眼镜、无线视频基站等^[5]。而国内在无人机的研究方面起步较晚，虽然国内在多旋翼无人机领域投入了很大的研究力度，也取得了显著的成果，但是国内四旋翼无人机的发展还处于初级发展阶段，缺乏独自的核心技术，能应用于专业领域的相关产品未大批量生产。国内对于四旋翼机的研究主要集中在几所高校之中，目前国内的研发机构主要位于国内的高校，北京航空航天大学研究重点是共轴双旋翼无人机的自主控制，南京航空航天大学在数学建模和理论方面比较强，控制方法主要是模糊控制，清华大学也在致力于无人机的自主飞行控制，台湾的修平技术学院也对无人机进行了研究，研究的主要方向为实现大负载的无人机，国防科技大学机器人实验室也于2004年开始研究四旋翼无人机^[6]。与国外研究相比，国内在无人机的研究及应用等方面都比较薄弱，存在较大差距。

四旋翼无人机除了国内外一些高校进行研究以外，因其体积小、隐蔽性和安全性好、结构简单操作灵活和成本较低等优点而受到航拍爱好者的关注与青睐。目前国内外有很多公司针对航拍市场开发了很多的四旋翼无人机，备受广大消费者的喜爱与追捧，例如法国的parrot公司的Parrot Bebop，美国的3DRobotics公司的Parrot Bebop3D Robotics Solo。在国内也有很多公司都推出了很多优秀的四旋翼无人机的产品。例如：大疆公司的推出PHANTOM系列的航拍无人机在国内外市场中占了很大的份额，2016年3月发布的最新款的PHANTOM4以其能够指点飞行、自动避障和智能跟随等优点，一经推出备受消费者喜爱^[7]。

2. 研究的基本内容与方案

飞行控制系统一般包括主控制器、各传感器模块、电源模块和电机驱动系统等部分组成。

（1）电源模块设计：对于任意一个系统而言，稳定可靠的供电系统是决定系统稳定运行的基础，特别是在飞行器系统中，飞行器在飞行过程中如没有一个稳定可靠的供电系统，很容易发生炸机现象。本课题采用三芯锂聚合物电池供电，实际操作中对供电的要求不同，对电机驱动系统中的电机及功率放大器需要电池电压供电，然后设计相应的电压转换电路，达到供电作用。

（2）电机驱动模块设计：大部分无人机均采用无位置传感器无刷直流电机作为其动力基础，无刷直流电机为外转子结构，通过驱动系统使螺旋桨高速旋转。根据所给的电机技术指标，选定合适的无位置无刷直流电机，采用三相全控电桥H_PWM_ON_L_ON控制方式来驱动电机转动，采用功率 MOSFET作为开关器件，采用三个IR2101芯片驱动六个复合功率管实现精准换相。

（3）飞行器建模及力学仿真：四旋翼飞行器研究、设计及仿真的基础和核心是要对目标飞行器建立起一个良好、准确的数学模型，在对四旋翼飞行器姿态控制算法研究之前，首先建立一个飞行器系统的动力学模型是有重要意义的。然后，在得到飞行器的动力学特性方程之后，选取适当的控制量，再各控制理论进行研究比较，选取一个适当四旋翼飞行控制系统的控制算法，从而实现快速、有效、稳定的控制飞行器姿态的目标^[7]。