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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

设计一套四旋翼操控系统，研究四旋翼姿态和控制模型。无人机的发展中，以四轴飞行器的发展最为突出，它以其强稳定性，低成本，高效益在生产生活中发挥着巨大的作用。四轴飞行器有着许多优势，其智能化的普及和低成本的特点也越来越受消费者的喜爱。除了最基本的供学习娱乐的功能外，在拓展了许多外部设备，以及加入了一些数据融合算法和控制算法后，四轴飞行器的优势更加明显了。四轴飞行器可以进行各个方面的作业，如航拍功能，搜索功能，运输功能等。四轴飞行器的运用是方方面面的，可实现地形地貌的航拍功能，为地质测量提供数据支持；进行野外探寻，高空寻找失散物；对森林火灾进行现场航拍，得到控制；为高空空气质量状况提供数据等。四轴飞行器将机器人技术，电子信息技术，通信技术，信号处理技术，视频图像处理技术，自动控制技术等融为一体，具有很高的开发性。对于四轴飞行器的研究，在大幅提高其性能的同时，也大大推动了四轴飞行器的发展。

国内外研究现状

现如今，三大技术在各行各业发展十分迅速，他们是人工智能技术、虚拟现实技术和无人机技术。无人机技术在近几年得到各行各业的重视，以大疆无人机为代表的一些企业也迅速发展起来，致力于探索无人机在农业、工业和生活等的作用。

无人机的类型有很多种，比如无人直升机，无人多旋翼和无人伞翼机等，无人多旋翼又分为四轴飞行器，六轴飞行器和八轴飞行器等，轴越多，其控制系统越复杂。而研究四旋翼则更能探索无人机飞行的奥秘，也更容易尝试一些新的算法。国内，在网上涌现了一大批四旋翼爱好者，包括匿名科创、山猫飞控、烈火飞控和圆点博士飞控等。他们尝试低成本制作四旋翼，让四旋翼更能投入人们的生产生活中。而深圳大疆无人机的制作更是巧妙，典型代表有大疆金陵、大疆风火轮和大疆悟等，应用领域有航拍、运输和监视等。研究四旋翼不仅能帮助加快学习自动控制、传感器数据分析和处理的速度，也能在今后工作中定位四旋翼的用处。

对四旋翼的研究起始于1903年第一架动力飞机的成功研制，其后几十年乃至整个二十世纪 ，虽然人们不断地对四轴飞行器进行探索研究，但由于当时科学技术的不完善，应用以及理论知识的匮乏，四轴飞行器的发展并未取得显著的成果。到了2012年，人们对四轴飞行器的控制技术走向成熟，学术研究的方向转变到了基于四轴飞行器的智能导航和多飞行器编队控制。

国际上，宾夕法尼亚大学的HMX—4系统在飞行器底部设置彩色标记，再通过地面安置的摄像头跟踪测量标记的位置面积可以获得飞行器的位置和姿态角度，通过控制算法，实现了飞行器在视觉上的智能悬停。乔治理工大学的GTMARS系统是为了火星探测任务设 计的飞行器系统。它的特点是可搭载着陆器登陆火 星，自主飞行并且能返回着陆器补充电量，续航时间长。为了使四旋翼更为广泛地被人们接受，国外也涌现了一大批开源飞控，比如PixHawk、Paparazzi和HTHawk等。在这些平台上，我们可以移植相关程序，改进相关算法，为四旋翼的发展贡献一份力量。

2. 研究的基本内容

自主设计的四旋翼飞行器的研究主要涉及姿态解算，控制模型，通信方式.在姿态误差补偿中，可以选择卡尔曼滤波，互补滤波和梯度下降等算法，对传感器的数据进行滤波融合，从而得到精确输入量.在控制算法中，可以选择单极pid控制器和串级pid控制器，从而得到稳定的输出量。

研究中需要对四旋翼飞行器的原理，机械结构设计，硬件设计，软件底层驱动以及嵌入式硬件的遥控和软件底层设计熟练掌握。

从硬件的pcb设计到软件的设计编写，工作量很大。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

实行方案

设计四旋翼飞行器和遥控器的pcb图，并测试各模块的功能。采集传感器的数据并进行滤波和融合，根据采集的数据设计控制器，使四旋翼可以平稳飞行。

进度

(1) 2015.12.24-2015.1.16 学习相关滤波算法和控制算法，收集资料

4. 参考文献

[1] 狄跃平. 室内飞行定位系统的研究与实现[d]. 上海交通大学. 2010

[2] 林锐,林永泉. 高质量程序设计指南c /c语言[m].北京:电子工业出版社. 2012(10)

[3] 黄溪流.一种四旋翼无人直升机飞行控制器的设计[d]. 南京理工大学. 2010

[4] 杨晟萱.四旋翼飞行器自抗扰控制方法研究[d]. 大连理工大学. 2014