多旋翼飞行器设计与控制（一）

一、基本概念

固定翼

飞机的机翼后掠角等参数固定不变。
优点：续航时间最长，飞行效率最高，载荷最大。
缺点：必须要助跑，降落时必须要滑行。

直升机

动力装置带动一个或两个主旋翼，提供托举起飞行器的升力。
优点：可以垂直起降。
缺点：续航时间没有优势，机械结构复杂，维护成本高。

多旋翼

可以认为是直升机的一种，属于四个或更多旋翼的直升机。
优点：垂直起降、机械结果简单、易于维护。
缺点：载重和续航时间都更差。

复合飞行器

二、操控和评价

四旋翼操控

（1）悬停

1. 拉力抵消重力
2. 四个螺旋桨拉力产生的滚转、俯仰力矩为零
3. 偏航力矩为零，四个螺旋桨反扭矩效应均被抵消

（2）前后运动

（3）左右运动

对比评价

局限性

1. 桨叶尺寸越大，越难迅速改变其角速度.
2. 在大载重下，桨叶上下挥舞会导致刚性，大的桨叶容易折断。

三、发展历史

休眠期（1990前）

大尺寸多旋翼使用活动关节来改变拉力，进而调节姿态，相比大尺寸的旋翼直升机并没有多大的优势。

复苏期（1990-2005）

产品方面

1. Gyro Saucer:最早的一款迷你的电动四旋翼。
2. Roswell Flyer
3. Sliver X-UFO

学术方面

1. 几克重的MEMS惯导系统已经被研制出来
2. 学术界开始研究建模和控制
3. 2005年左右，真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出来。

发展期（2005-2010）

产品方面

1. 2006年，Microdrones公司推出第一代产品Md4-200
2. 2010年，Microdrones公司推出第一代产品Md4-1000
3. 2006年，德国人霍格尔-巴斯和英葛-巴斯克主导的四轴开源项目Mikrokopter
4. 2004年，美国Dragonflyer公司推出四旋翼Dragonflyer X4
5. 2008年，美国Dragonflyer公司推出工业级多旋翼Dragonflyer X6
6. 2007年，银辉X-UFO发明者和两名德国青年人竞赛的获奖者创立德国Ascending Technologies公司

学术方面

1. 越来越多的学术研究人员开始研究多旋翼，自己搭建四旋翼，验证算法，特别是姿态控制算法。
2. 个别研究者基于商业四旋翼+动作捕捉系统开发验证环境。好，

活跃期（2010-2013）

产品方面

1. 2010年，法国的派诺特公司与学校共同合作，推出消费级的AR.drone四旋翼玩具，技术和理念也十分先进。
2. 2013年，大疆推出小精灵Phantom一体机。

学术方面

1. 2012年，宾夕法尼亚大学的韦杰-库马教授在TED上做出了四旋翼飞行器发展历史上里程碑式的演讲，展示了四旋翼的灵活性以及编队协作。
2. 2012年， Robotics & Automation Magazine,IEEE,Aerial Robotics and the Quadrotor的专刊。
3. 多旋翼开源自驾仪增多。

爆发期（2013-现在）

产品方面

1. 2013年，大疆推出小精灵Phantom一体机后持续获得关注
2. 3D Robotics连续推出Iris,X8+,solo等四旋翼飞行器
3. 2013年，推出Pixhawk硬件
4. 2013年，亚马逊发布采用四旋翼送快递的视频

学术方面

1. 多学弈的研究更偏向自主化，群体化。
2. 2013年，苏黎世联邦理工学院的拉斐尔-安德烈教授在TEDGLobal的机器人实验室展示了四旋翼的惊人运动机能。
3. 2015年，《自然》发表综述文章，分析和展望了小型自主无人机在民用领域的科学和技术。