1国外四旋翼无人机的研究现状

最早的四旋翼飞行器起源于国外。世界上第一个试飞成功的四旋翼飞行器GyroPlane No。1，是1907年由Breguet兄弟研制 [8]。相比于固定翼飞机和直升飞机来说，由于四旋翼飞行器需要同时操纵多个执行机构，在很长一段时间内其发展是停滞不前的。近几十年来随着新材料、微型惯性测量单元（IMU，Inertial Measurent Unit）和微机电系统（MEMS,Micro Electro Mechanical Systems）的成功研发，四旋翼无人机得到了飞速的发展，并取得了很多喜人的成果。目前四旋翼飞行器主要集中在美国、德国、法国等欧美发达国家。国外很多高校都研发出了优秀的四旋翼无人飞行器。

宾夕法尼亚大学GRASP实验室在Ascending Technologies公司开发的蜂鸟四旋翼飞行器基础上，利用室内红外光成像与机载微型惯性测量单元组合（IMU，Inertial Measurent Unit）对四旋翼飞行器进行了姿态测量和定点定位，使其在室内实现了稳定飞行[9]。在此基础上他们还进一步实现了翻转、目标识别和多级协调飞行[10]等功能。图1。3。1 所示为他们研发的无人机。87425

 宾夕法尼亚大学研发的四旋翼无人机

除此以外，他们还尝试使用激光测距仪，开展了即时定位与地图构建（SLAM,Simultaneous Localization and Mapping）技术研究，以减少飞行过程对外部干预的依赖性[11]。

为了减少因碰撞而对螺旋桨造成的损坏，斯坦福大学在美国宇航局的支持下，设计了一种带有框架结构的四旋翼无人飞行器[12]，也是世界上技术较为发达的四旋翼无人机，其飞行器如图1。3。2所示。该无人机系统采用了主控制器PC104。无人机系统由姿态检测单元、超声波模块、GPS模块、视频传输模块等组成，利用PPM遥控器或者手机Wifi组网就能够对飞行器进行控制。他们通过实验建立了系统的准确数学模型，设计了高效能的控制器，可实现反转（Looping）等特技飞行动作[13]。在此基础上，他们利用该无人机设计和实现了对地面移动目标的有效跟踪[14]。

图1。3。2 斯坦福大学研制的Quadrotor Helicopter

纽约市立大学城市学院的Ivan Dryanovski等人在总结近年四旋翼无人机进展的基础上设计了能自主定位和自主飞行的CityFlyer四旋翼无人机，见图1。3。3所示。该无人机搭载了一个1。6GHz的Atom处理器和2个ARM7微处理器，Atom处理器在运行实时操作系统的基础上完成3D实时地图构建和导航功能；一个ARM微处理器进行IMU的数据融合功能，另一个ARM微处理器主要负责飞行控制算法的解算与实现[15]。

 纽约市立大学城市学院的CityFlyer四旋翼无人机

日本千叶大学的Kenzo Nonami教授团队从1998年就开展了无人机自主飞行方面的研究。他们在德国Ascending Technologies公司提供的四旋翼无人机的基础上开发了X-3D-BL无人机[12]，图1。3。4所示为该无人机的飞行图。

日本千叶大学研发的X-3D-BL无人机飞行图

该飞行器采用三轴陀螺仪、加速度计和磁强计作为飞行控制内环控制的传感器，这些传感器融合了GPS、IMU以及PS单元，利用空速计测量速度,利用静态气压计测量高度，在此技术上他们实现了无人机的路径规划和自主导航功能[16]。

瑞士洛桑联邦科技学院的EPFL自动化系统实验室开发了一种电动小型四旋翼飞行器OS4，又先后研发出了OS4-Ⅰ和OS4-Ⅱ两代作品。他们在OS4-Ⅰ基础上研究过包括PID、自适应LQR、基于Lyapunov稳定、Backstepping、Sliding-mode等控制算法，实现了无人机的姿态控制以及在室内环境中基于惯导自主悬停[17-18]。图1。3。5所示的OS4-Ⅱ无人机是OS4无人机中的第二代作品。