1.1研究背景
四轴飞行器要完成各种任务就需要人工无线电遥控导航或者自主导航。人工遥控导航飞行只能在视野范围内进行，如果四轴飞行器要执行视野范围外的任务，就必须自主导航。 常规飞行器一般用惯性导航设备(利用惯性元件（加速度计）来测量运载体本身的加速度，经过积分和运算得到速度和位置，从而达到对运载体导航定位的目的。)或多普勒测地速设备(利用多普勒效应测定飞行器径向速度的无线电跟踪测量系统。由地面向飞行器或由飞行器向地面发射固定频率的等幅电磁波，因飞行器与测控站存在相对运动，接收信号的频率与发射信号的频率互不相同。)，但由于庞大的体积、昂贵的价格等因素，难以应用于轻巧而廉价的四轴飞行器。而现今的全球定位系统GPS，拥有全天候、全球性、连续的精密三维导航与定位能力，并且重量和体积也非常适合无人四轴飞行器，同时价格也相当便宜，一块成品的GPS模块一般也就100人民币左右，因而GPS在航空导航、航海导航以及地面导航等方面应用非常广。
装载了GPS自主巡航系统后的飞行器大大拓展了其在民用与军用上的泛用性。
用于民用型的自主巡航飞行器可执行灾情调查救援任务如水灾、火灾、地震等；喷洒农田、林区农药；监测化工厂等危险场所的危险气体的浓度；巡查输油管线、输电线路；连续监控重要的设施；区域性空－地、空－海通讯；当对特定地区进行日常环境监测的时候，用这种飞行器来执行也很方便和高效，自主巡查完后可以自动返回目的地并自动记录下存储的数据，大大减少了人力成本。据报道自2010年9月起，为了提高输电线路的巡检水平，江西省电力公司采用了无人机航巡输电线路，对输电线路本体缺陷、通道隐患进行快速探测，在各种地形复杂、气候恶劣的不利条件下，在第一时间里准确、及时、高效地取得现场资料。
1.2国内外四轴飞行器发展现状
1.2.1国内外飞行器的发展和应用
据了解，四轴飞行器最早源自于20世纪90年代之前多旋翼飞行器，由于早期多旋翼的自动控制器控制难度较高，很长一段时间里，只有美国一些研发性的项目做出了多旋翼飞行器的样机，但真正稳定的多旋翼无人机自动控制器直到2005年才被制作出来。法国在2010年发布首款流行的四旋翼飞行器AR.Drone，并作为一个高科技玩具，开始广泛进入人类社会。2012年后四轴飞行器在各国的关注度迅速提升，并成为了新的商业焦点。
2009年5月21日，一台叫做“旋翼飞行机器人”的空中多功能自主飞行机器人在中国中科院沈阳自动化研究所研制成功，并在灾害搜救的实际测试中取得很好的效果，并已经小批量地投入生产。据相关人员介绍，较大的四轴飞行器最长可在4小时中持续执行任务，并且速度可以达到每小时100公里，起飞时的自身重量为120公斤，并负担有效载荷40公斤；而较小一点的飞行器拥有最长2小时的续航时间，最大巡航速度可达每小时70公里，起飞是的自身重量仅仅40公斤，同时负担14公斤的有效载荷。
在灾害搜救实际测试中，无人四轴飞行器很好地完成了从自主起飞，然后根据预设的航迹点进行自主巡航飞行，悬停在空中或超低空来获取需要的数据或拍摄照片或视频，最后进行自主降落等一系列科目，非常完美地执行了测试内容。
该四轴飞行机器人由机器人学国家重点实验室历经近4年的时间自主研发成功，技术水平已经达到国际同期先进水平。中国中科院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室是在2007年成立的，此前作为中国科学院机器人学的重点实验室。目前，实验室已经取得了防爆排险机器人、工业制造机器人、蛇形仿生机器人、深水机器人、网络机器人等多项重要研究成果。
四轴飞行器在2014年的云南鲁甸地震中对灾区全貌及救援实况进行俯瞰，通过高清摄像机实时传回第一手航拍视频资料用的无人机。在云南鲁甸地震中武警部队首次将四旋翼无人机等高科技装备运用于抗震一线，能够垂直起降;能以各种姿态飞行,如悬停、前飞、侧飞和倒飞等;能够适应各种环境;具备自主起飞和着陆能力。
在德国，已研发了一种叫做Microdrones GmbH MD4-200垂直起降的微型无人飞行器。(如图1-1)
图1-1德国MD4-200飞行器
机体采用碳塑材料，因而它兼具轻巧和高强度的特点，同时该材料也使MD4-200可以抗电磁干扰。其AAHRS(高度、姿态和航向参考系统)使用了如下几种传感器：加速计、陀螺仪、磁力计、气压计、湿度计、温度计。通过使用4个同步无刷直驱电马达，飞行器的噪音非常小(当转速小于2000转/分钟，在3米处噪音小于63分贝)。选配的GPS系统能够实现空间位置锁定与自动航点导航功能，还可以选择以microSD卡作为记录器的飞行记录仪来实时记录和分
析飞行数据，所有重要的飞行数据都可以下载到数据中心，包括电池状态、高度、姿态、位置、飞行时间等。MD4-200还具有安全保护措施以避免坠毁，它能够在电量不足和失去控制信号时自主降落。目前MD4-200可以完成一次充电不低于20分钟的飞行时间。2006年4月在德国上市以来，短短的16个月里，在欧洲已经销售了超过250套MD4-200四旋翼飞行器系统，它们被用于许多不同领域：航空摄影、空中考古、空中监视、植被调查、消防救灾、边境控制、警察、特种部队和军队等等。
JS401四旋翼无人飞行器是全球领先的垂直起降、自主导航的无人飞行器系统，可用于执行资料收集、协调指挥、搜索、测量、通讯、检测、侦察等多种空中任务。 可以通过遥控器人工操控飞行，也可以借助GPS或北斗导航系统进行自动驾驶飞行。具备人工遥控、定点悬停、航线飞行等多种飞行模式。可以灵活地更换机载任务设备以适应不同的任务要求。从高分辨率的数码相机、摄像机到红外热成像摄像机，都可以在不同的光线环境下执行各种影像记录与传送任务。选配的数传电台和数字图像系统，可进行半径10公里的超视距飞行和图像实时传输。拥有优秀的安全设计，具有多种保护模式，以保证飞行器的飞行安全。采用巧妙的折叠结构设计使之收放自如，大大缩短了起飞前的准备时间和飞行器撤收时间，也有利于包装和运输。
测控地面站高度集成了测控计算机、高亮触摸屏、图像存储设备、数传电台、图传电台、控制键盘及摇杆于一体，具有宽温、多任务接口、超长待机、防水等特性。
1.2.2四旋翼无人飞行器应用领域
1．政府应急指挥领域：
火灾、地震、洪涝灾害发生时的应急处置：当灾害发生时，启动飞行器可快速、准确将现场图像及时传送至指挥中心，帮助相关人员有效指挥救援工作。（相关应用部门：地震局，气象局，防汛指挥部，地方政府应急办，武警消防局，林业局等）
2．生产及运行安全监管领域：
在面积较大地域或现场环境复杂地区导致人员难以到达情况下，启动飞行器可有效监测环境状况，并为相关人员提供实时图像便于监管安全。（相关应用部门：交通厅、交管局对各主要高速公路、城市道路状况的监测，旅游局各景区，安监局各矿山，国土资源局，大型油田、煤矿、电厂企业，监狱及劳教系统等）
3．公共安全领域：
在处置大规模体性事件或跟踪以及侦查活动时，启动飞行器可及时准确监控现场情况，有效地打击犯罪及防范安全隐患。（相关应用部门：公安局，武警边防局，机场，火车站，大型演出设施等）
4．军事应用领域：
（1）. 军事训练或演习时启动飞行器，可立体式监控演习双方对战进行状况，判断战场情况；
（2）. 重要军事设施的安全监管：营房，油库，军火库等战术侦查，监控等。
2系统方案
系统主要由机架、单片机控制模块、电源模块、电机调速模块、高度测量模块、无线通信模块、GPS定位、云台等八部分组成，采用X型飞行模式，下面分别论证这几个模块的选择。 2.1单片机控制模块
单片机控制模块也就是无人机的飞行控制系统，主要有陀螺仪（飞行姿态感知），加速计，地磁感应和GPS模块（选装），以及控制电路组成。主要的功能就是自动保持飞机的正常飞行姿态。
四旋翼飞行器结构
与传统的直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。四旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。
其基本运动状态分别是：
（1）垂直运动——在图中，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。
（2）俯仰运动——在图（b）中，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1
与旋翼3转速该变量的大小应相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转（方向如图所示），同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。
（3）滚转运动——与图b的原理相同，在图c中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。
（4）偏航运动——四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的来年各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图d中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。
（5）前后运动——要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图e中，增加电机3转速，使拉力增大，相应减小电机1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。当然在图b图c中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。
（6） 侧向运动——在图f中，由于结构对称，所以侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样。
飞控主板选择
（1）玉兔多旋翼飞控，该飞控板采用 32 位 ARM 处理器，以及现有最新的传感器，自主研发软件，设置界面简单友好，飞行稳定，安全可靠，如果您不想折腾，简单连接好飞控板后默认设置下就可稳定飞行，如果您想精细调整或想有更多应用，它还会带给您更多的惊喜。基本板已包含高精度数字 3 轴陀螺和数字 3 轴加速度计，结构紧凑，体积小，不用附加任何
板就可以实现稳定和平衡功能，还可以外接扩超声波、气压计、3 轴地磁传感器、GPS 等实现定高、定点、自动起降等更多的功能。8 通道遥控输入、8 通道马达/舵机输出，支持航拍云台自动稳定，输出通道的模式可以由用户定义。 自带 USB 接口，不用加扩展板就可以实现 PC 升级，参数调整。提供 PC 升级工具，随时根据大多数客户要求、改进程序并能在线升级。
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