第一章 选题背景和意义
1.1 选题背景
无人机（Unmanned Aerial Vehicles, UAV），通过在机体内装备的自主程序控制飞行或根据地面控制站无线遥控设备的操纵指令控制飞行。近年来，以其体积小、成本低、适应性强、机动性隐蔽好、可重复使用、可替代人执行危险性大的作战任务等特点成为国内外研究的热点，并逐渐在军事、民用等诸多领域展现出巨大的应用潜力[1]。通常无人机分为旋翼式无人飞行器和固定式无人飞行器[2]。固定式无人飞行器出现的较早，自20世纪60年代初，美国首次使用无人机进行军事探查，并在之后的战争中起到巨大的效果，如参与中东海湾战争的“先锋”舰载无人机、科索沃战争的“掠夺者”无人机、阿富汗战争和伊拉克战争中的“捕食者”和“死神”系列无人机、“全球鹰”战略无人侦察机[3]。随着微机电、通信、新材料和控制方法等科技的完善和研究，使得早期旋翼式无人飞行器相对复杂的工程应用到了有效的解决方式，并且能够更好地满足如今越发复杂化的作战环境和要求。旋翼式无人机较固定式无人机具有突 出优势，它能够在狭小的空间范围中实现悬停[4]，垂直升降（VTOL, Vertical Take Off and Landing），灵活度好，结构简单。本课题主要研究的对象是微小型旋翼式无人飞行器——四旋翼（Quadrotor）。该飞行器的四个旋翼和四个电机分别固定在具有中心对称结构的十字架结构机身的四个端点。改变四个电机的转速从而改变升力，实现四旋翼飞行器的轨迹和姿态控制[5]。与单旋翼式无人飞行器相比，四旋翼飞行器布局简单，易于控制，在飞行稳定性和可操纵性上更加突出。此外，噪声小，制造精度低，隐蔽性好以及在狭小空间中完成飞行任务等优点，使得四旋翼拥有更加大的应用潜力。但是，微小型四旋翼飞行器是一种非完整约束的二阶欠驱动强耦合系统，在飞行过程中，四旋翼无人飞行器可以通过调节四个螺旋桨的转速直接控制其姿态角度和飞行高度，而对于飞行器的水平位置，只能通过飞行器姿态角度与水平位置之间的耦合关系来间接控制，因此实现四旋翼无人飞行器三个方向的位置控制具有较大的难度。除此之外，由于四旋翼无人飞行器体积小并且重量轻，在飞行过程中空气阻力和阻力矩对其影响比较大，因此在设计飞行控制器时还需要考虑到时变的外部干扰问题。除外界扰动以外，在每次飞行中，不同的负载导致飞行器的重量以及转动惯量也都会有很大程度上的差别。由于四旋翼无人飞行器的动力学模型相对复杂，其动力学模型中的一些空气动力学参数很难准确测量，这些不确定性进一步增加了飞
行控制系统设计的难度。使得传统的控制算法无法理想地解决这些问题，也就更加难以在工程实践中达到良好控制效果。
无人机除了在飞行过程中除需要调节至指定位置及姿态以外，另外在一些特殊应用场景下，比如执行一定路径下的航拍任务或者在信号干扰较为强的区域进行巡航任务，对其路径进行预先的路径规划以及执行对此路径的跟踪具有很重要的现实意义。但是，由于无人机在对路径跟踪时，会受到来自环境中侧风，无人机结构气动参数建模不精准以及执行结构的时延的影响，导致无人机最后无法按照预先设定的路线进行。因此需要利用飞行器实时位姿信号反馈来控制飞行器跟踪预定轨迹来实现四旋翼无人飞行器轨迹跟踪控制。
因此，各种各样针对四旋翼的轨迹跟踪和飞行控制方法被研究提出，例如反步法监控摄像机主板[6][7]，反馈线性化[8][9]和PID[10]调味篮等。由此可见针对微型四旋翼飞行器在复杂环境下，满足特殊飞行要求时的轨迹实现稳定的跟踪控制的研究具有一定的理论意义和实用价值。
1.2 国内外研究现状及发展动态
四旋翼飞行器的概念最早是由Breguet兄弟实现的，在 19 世纪初期，他们研制了第一架四
衰变池旋翼飞行器，被称为 Breguet-Richet“旋翼机1号”（如图1.1），焊接的四根钢管构成十字交叉分布是该旋翼机的主机体框架。1907年9月，“旋翼机1号”实现了旋翼机携带驾驶员的首次升空saw 3d[11]。虽然第一架四旋翼飞行器没有实现稳定飞行，但极大的推进了四旋翼飞行器的发展。
图1.1 Breguet-Richet“旋翼机1号”
1956年，在纽约的Amitycille，Convertawings制造了一架具有两个发动机的四旋翼飞行器（如图1.2），通过改变每个螺旋桨的转速来产生推力，进而实现该飞行器的飞行。
旗杆基础
图1.2 Convertawings的四旋翼飞行器
那段时期大多以载人四旋翼飞行器为主，原型机的性能和稳定性较差，操作性能和实用性能都很低，所以在后来的数十年中旋翼无人机几乎停止发展。直到近十几年来，随着先进控制理论、空气动力学理论、微电子技术以及材料技术等相关学科的发展，再次掀起了以四旋翼无人飞行器为代表的多旋翼无人飞行器的研究热潮，并取得了大量的成果。
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