微型四旋翼飞行器发展历史及国内外研究现状

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1 发展历史

四旋翼飞行器的诞生可以追溯到1907年，法国Breguet兄弟制作了世界上第一架四旋翼式直升机Breguet-Richet Gyroplane No。1[1]。此后，四旋翼飞行器在第一次世界大战和第二次世界大战期间得到迅速发展，在战争结束之后一直没有什么重大的进展。直到近十几年来，微型四旋翼飞行器引起了研究人员的极大兴趣。87406

2000年前后，研究人员开始关注厘米级微型四旋翼飞行器的设计和分析。2004年，斯坦福大学的机器人实验室制造出13cm，可以悬停3min的微型四旋翼飞行器[2]。2006年，以苏黎世联邦理工学院、麻省理工学院、宾夕法尼亚大学等为代表的一批高等学府投入到微型四旋翼飞行器的研究中并涌现出许多重大成果。2012年，宾夕法尼亚大学GRASP实验室的Vijay Kumar教授在TED演说中介绍了他们实验室在微型四旋翼飞行器上取得的成就，包括飞行器协同编队飞行、巡检果树生长状况，动态建立3D地图等[3]，该演讲影响深远，越来越多的人将目光投向微型四旋翼飞行器领域。2013年，在TEDGlobal的机器人实验室里，苏黎世联邦理工学院的Raffaello D’Andrea教授展示了有着惊人的稳定性，精准的定位和反应能力微型四旋翼飞行器。同时演讲中所展示的多机协同工作的高协调性也令人瞩目。

基于VICON的微型四旋翼飞行器飞行控制系统这一概念是由宾夕法尼亚大学GRASP实验室提出来并首先实现的。GRASP实验室采用VICON系统获取微型四旋翼飞行器在室内的实时位置，将其应用在多飞行器协同编队飞行中并取得很好的效果。之后，这一理念又被苏黎世联邦理工学院的测量与控制实验室，大疆创新科技有限公司等采用。

2 国内外研究现状

（1）斯坦福大学

斯坦福大学研发的STARMAC（Stanford Testbed of Autonomous Rotorcraft for Multi-Agent Control)是一个四旋翼飞行器列队，该平台被用来试验能使飞行器自主运行的全新算法。该实验平台已经被开发为一个灵活的平台，在其平台上全新的算法概念可以应用在现实世界里。通过开发一个多运载工具平台，可以开发受益于多个同步测量的应用，并且避免碰撞和协同搜索的方法已经被开发出来了。四旋翼飞行器的选择保证易用运载工具只需要较低的维护要求，因为飞行器重量低于3千克，这个测试平台可以在小的空间和杂乱环境中运行而无需太担心安全。

斯坦福大学的研究人员为STARMAC平台开发了无人机在混乱环境中的轨迹跟踪算法[5]。四旋翼飞行器的轨迹跟踪控制器可以解耦两个问题。通过把期望的路径点和速率作为输入量，控制输入量可以被频繁更新以准确跟踪期望路径，而路径规划作为单独的进程相对缓慢地运行。为了可以使用无需考虑动态可行性或提供前馈输入的规划算法，斯坦福大学的研究人员提出了一个使用空间索引路径点的高效算法来调整输入路径的速度剖面以保证规划轨迹的可行性和规划的最小时间遍历。这个算法是规划非线性最优化或混合整数规划的有效解决方案。

（2）苏黎世联邦理工学院

苏黎世联邦理工学院的Raffaello D’Andrea团队设计的四旋翼飞行器有着惊人的稳定性，精准的定位和反应能力，还有多机协同工作的高协调性。该团队设计了一套坠毁保险机制，这个机制是算法层面的，所以无需安装其他配件。当四旋翼无人机收到极端物理伤害时，例如被剪掉两个螺旋桨，无人机的控制算法通过学习非常规飞行方式仍能实现对翻滚、俯仰和加速的基本控制[6]。这个算法使得四旋翼无人机即使发生意外也可以持续待在空中并进行可控的意外坠落过程。