1 目的及意义

1.1选题的背景及意义

无人驾驶飞行器(Unmanned AerialVehicle，英文缩写UAV)简称无人机，顾名思义就是一种不载人的飞行器，它是利用无线电遥控或者自主设定的程序来进行操纵的。与其他种类的无人机相比，四旋翼无人机有着得天独厚的优势，它结构简易，姿态稳定，飞行灵活的特点让它能够胜任更多的任务。四旋翼无人机可以用来航拍、植保甚至是军事。未来的世界，人类都想往更加精简、高科技、简易的方向迈进，而如今的无人机正是这个方向上的领路人。因此科学家对四旋翼无人机有着极高的研发热情。姿态检测在四旋翼飞行器飞行中是必不可少的，它需要实时准确地采集来自多路传感器的数据，并根据数据采集结果获取姿态，通过控制器完成对无人飞行器的控制。所以本文拟以四旋翼飞行器为研究对象，在充分学习掌握飞行器姿态检测模块的工作原理与系统组成基础上，对其动力学模型进行建模分析，并对姿态检测数据进行处理与解算，最后进行仿真实验验证。

1.2四旋翼飞行器的国外发展现状

真正提出“旋翼机”这个概念的是在1480年达芬奇首先提出的。然而多旋翼飞行器的第一次出现要追溯到1907年法国的Bregust兄弟制造出来第一架四旋翼飞行器，其结构也非常简单，只有发动装置和几副巨大的旋翼。缺少了飞控系统，使这架飞行器很难控制和操作。而在随后的几十年间，多旋翼飞行器的发展似乎遇到了瓶颈，人们一直坚持对多旋翼飞行器进行大胆的设计，但是各种技术问题使得人们对它的研究始终没有更深一步。直到20世纪末，四旋翼飞行器技术发展迅速，在国外很多高校都有四旋翼飞行器的研究。美国宾夕法尼亚大学借助商业模型基于视觉反馈，开发出飞行器的智能控制系统。斯坦福大学的STARMAC项目设计了四旋翼飞行器的智能控制平台，该设计用了两个单片机分别用于进行数据的通讯和飞行器的控制，并且通过PID控制等控制算法使飞行器实现了在指定高度的悬停。麻省理工学院在四旋翼飞行器上也有很多的研究，实现了利用惯性单元对飞行器飞行姿态的实时监控，并利用测距系统实现了多个飞行器的协同飞行。另外美国RC公司开发装载了出惯性测量单元和飞行控制系统的Draganflyer系列的飞行器可供研究工作者进行二次开发，成为飞行器发展过程的一个旗帜。法国Parrot公司和苹果公司合作，开发出用手机、平板可以进行远程控制的飞行器并嵌入linux操作系统使用摄像头通过WIFI将视频传到用户设备上。瑞士洛桑联邦科技学院(EPFL)启动的OS4项目，实现了多旋翼无人机在室内外环境下的自动避障功能。飞行器采用4个超声波传感器来测量前后左右四个方向与障碍物的距离，1个超声波传感器来测量飞行器与地面的距离，从而实现了在飞行高度较低的条件下的自动避障。

1.3四旋翼飞行器的国内发展现状

在国内，由于多旋翼无人机的研制起步比较晚，技术水平上要稍微落后一些，但是这不能掩盖国内多旋翼无人机技术这几年迅猛发展的势头。国内主要研究单位是以各大高校为主，其中哈尔滨工业大学提出了四旋翼飞行器的H∞回路成型控制问题，设计了用于控制姿态和速率的相应控制器；国防科技大学对多旋翼飞行器的动力学模型和非线性控制算法进行了研究，并设计了自抗扰控制器；南京航空航天大学对无人机在悬停状态和低速飞行状态下的姿态稳定问题做了研究。另外，南京理工大学、东北大学、天津大学等也进一步对这些算法进行研究，不断地开发新的算法。近年来，国内的大疆创新公司在飞行器方面发展迅速，快速跻身于国际前列，其开发和生产的产品广泛应用于国内外的航拍、影视制作、森林防火、农业作业、救援等，其代表产品有“精灵”Phantom系列和“悟”Inspire系列，但是其产品都属于非开源产品，无法自行在其上进行进一步的开发和应用。虽然发展速度很快，但是我们仍应该看到国内的多旋翼飞行器在自动避障、环境识别、复杂环境下自主飞行方面还是技术水平比较落后的，距离世界领先的技术水平还有一段距离。