四旋翼飞行器飞行控制专利申请现状及审查应用实例分析作者：欧鑫磊 谭晓波来源：《山东工业技术》2015年第13期 摘 要：本文综合了四旋翼飞行器的概念和特性，从飞行控制方面介绍了四旋翼飞行器的发展现状，详细叙述了四旋翼飞行器的发展技术路线，在此基础上，进一步分析了相关专利技术发展整体情况，并介绍了实际案例审查实践情况，最后对未来发展作了展望。 关键词：四旋翼；飞行控制；专利申请
1 前言
四旋翼飞行器是一种能够垂直起降（VTOL）、自主悬停、非共轴式多旋翼碟形飞行器，目前世界上存在的四旋翼飞行器基本上都属于微小型无人飞行器，又称为四旋翼无人机。
本文在分析四旋翼无人机控制系统的特点和要求的基础上，论述国内外现有飞行控制方法的应用现状，指出四旋翼飞行控制技术发展的现状和趋势。
2 四旋翼无人机飞行控制技术研究现状
四旋翼无人机的四个旋翼呈十字交叉结构，四个旋翼由四个电机控制，分别位于十字支架的四个顶端，通过改变每个电机的转速可以实现对飞行器垂直起降、悬停、俯仰（前后）、滚转（左右）、偏航（旋转）等姿态和运动状态的控制。
四旋翼无人机是一个非线性、强耦合、欠驱动、时变的被控对象，国外做出一定成果的高校和科研机构有很多，其中进行室外研究的高校及科研机构主要有Stanford University， Oakland University， Chiba University， University of Technology of Compiegne，Massachusetts Institute of Technology（MIT）， University of Pennsylvania， Ecole Polytechnique Federale de Lausanne（EPFL）等；国外的一些商业公司也加入了研究行列，如美国的Draganfly公司，德国的Microdron GhmH公司等。
国内的一些高校和科研机构对四旋翼无人机的研究进取得了相应的进展。如国防科技大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学，南京航空航天大学以及清华大学等。在国内，近几年商用无人机也发展的相当迅速，如大疆公司的Phantom系列、筋斗云系统，以及北方天途航空技术发展有限公司生产的M系列多旋翼飞行器[3]。
2.1 数学建模
关于四旋翼无人机的数学建模主要有两种方法：理论推导法和试验辨识法。理论推导法是通过对飞行器各部分的物理结构和受力分析，经过严格的理论计算得到线性或非线性数学模型；试验辨识法则是基于试验数据，利用系统辨识理论获得系统参数模型。目前主要是通过理论分析四旋翼无人机动力学特性，简化或增加四旋翼的约束条件，建立线性或非线性数学模型。
2.2 飞行控制方法
四旋翼无人机强耦合、非线性、欠驱动、干扰敏感的特性，使得飞行控制系统的设计变得非常困难。此外，控制系统的性能还受到模型准确性和传感器精度的影响。近年来，国内外学者对四旋翼无人机的控制策略进行了大量的研究，表1中列出四旋翼无人机几种典型的控制方法及其特点。
目前对于四旋翼无人机飞行控制的研究，大部分是针对姿态稳定控制。国内外相关人员都着重进行了姿态控制器的设计，但大都加入了许多约束条件，且大部分处于实验仿真阶段，实际工程实现的控制效果较好的四旋翼无人机并不多。
3 四旋翼无人机飞行控制专利技术发展整体情况
3.1 专利申请量趋势分析
图1为四旋翼无人机飞行控制技术全球专利申请趋势图。由图1可见，检索到的四旋翼无人机的专利最早出现在1996年，申请号为：96117246.0，该申请公开了一种固定桨叶共轴双旋翼直升机，为一种遥控直升机，为四旋翼无人机的雏形；从2005年开始，申请量出现持续快速增长，其原因在于自2005年起，微系统、传感器以及控制理论等技术的发展，以往的技术瓶颈得以突破，四旋翼无人机又引起人们极大的兴趣，自2008年后，各大高校和科研院所也将研发精力纷纷投入到其中，导致申请量增长极为迅速，至今为止仍在持续增长。
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