第1章
四旋翼飞行器概述与发展现状

1.1　空中机器人

空中机器人（Aerial Robotics）最早由美国乔治亚理工大学的Robert Michelson提出，是指各种搭载了GPS、机载导航设备、视觉识别设备以及无线通信设备等，能够在一定的范围内实现无人飞行的旋翼无人飞行器、无人飞艇等。空中机器人拓展了无人机的概念，在一定意义上可以将其看作是无人机的别称。空中机器人以研究微型无人飞行器为主要目标，代表了未来微型飞行器的发展趋势，是一种智能微型飞行器，代表了飞行器的最高层次。

空中机器人曾经有过多种称谓，无人飞行器（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是其中的一种。自从1917年英国研制出世界上第一架无人飞行器，无人飞行器已经经历了无人靶机、预编程序控制无人侦察机、指令遥控无人侦察机和复合控制的多用途无人飞行器的发展过程。在越南战争、中东战争和科索沃战争中，无人飞行器卓有成效地执行了多重军事任务，包括照相侦察、散发传单、搜索信号情报、布撒雷达干扰箔条和防空火力诱饵、防空阵地位置的标识、直升机航路侦察，为武器系统提供目标定位、目标指示、目标动态监视和目标毁伤评估的实时情报。无人飞行器以突出的战绩使各国高层军事首脑对它刮目相看，对无人飞行器作为军队战斗力倍增器的作用与地位及其潜在的军事价值形成了共识，这些都为无人飞行器的迅速发展提供了强大的动力。

进入20世纪90年代，冷战结束后各国军费削减、军队裁员，迫使军方努力寻求既能完成特定任务，又花费较少的途径，这无疑对无人飞行器的发展提供了机遇。从军事侦察使用角度来看，无人侦察机是侦察卫星和有人侦察机的重要补充和增强手段，它与侦察卫星相比，具有成本低、侦察地域控制灵活、地面目标分辨率高等特点；与有人侦察机相比，具有可昼夜持续侦察的能力，不必考虑飞行员的疲劳和伤亡问题。再加上20世纪末电子技术和航空航天技术的飞速发展，为无人飞行器满足军事需求在技术上提供了可能。

以上因素促使世界无人飞行器的发展进入一个新的时代，并在20世纪末形成三次发展的浪潮。

第一个浪潮是在海湾战争之后师级战术无人飞行器系统的发展。代表性机型有：以色列的“侦察兵”（Scout）、“先锋”（Pioneer）、“搜索者”（Searcher）；美国的“猎人”（Hunter）、“先驱者”（Outrider），法国的“玛尔特”（Mart）、“红华”（Crecerelle），德国的“布雷威尔”（Brevel），加拿大的“289”（CL-289），英国的“不死鸟”（Phoenix），意大利的“米拉奇”（Mirach），南非的“探索者”（Seeker）、“秃鹫”（Vulture）和俄罗斯的“熊峰”（Shmel）等。

第二个浪潮是自从美国的“捕食者”（Predator）（迪尔Ⅱ，图1.1.1）中空长航时无人飞行器在波黑和科索沃战场使用获得成功之后，促进了中空长航时无人飞行器的研制。代表性的机型有：美国的“捕食者”（Predator）（迪尔Ⅱ）、“全球鹰”（GlobalHawk）（迪尔Ⅱ＋）、“暗星”（DarkStar）（迪尔Ⅲ－），以色列的“苍鹭”（Heron）、“赫麦斯”（Hemes）和法国的“鹰”（Eagle）、“萨若海尔”（Sarohale）等。

图1.1.1　“捕食者”无人攻击机

目前，空中机器人的研究大都是围绕微型无人飞行器进行的，这是因为跟其他无人飞行器相比，微型无人飞行器造价低、体积较小、重量轻、飞行相对灵活、起落受限制少，能适应复杂多变的环境，更适合进行目标识别、定位等比赛项目。而且在实际应用中，由于其具有高度的灵活性和很强的适应性，微型无人飞行器在军事和民用上有着广阔的应用前景。

在军用方面，微型无人飞行器主要用于低空侦察、电子干扰等作战任务。这样不仅可减少部队在侦察过程中的伤亡，还可以大大提高作战效率。另外，微型无人飞行器还可用于目标指示及生化武器探测等。在城市作战中，微型无人飞行器的优势更为突出：能够在建筑物群中以很慢的速度飞行，以便绕过障碍物并且避免被撞倒；可以飞到大型建筑物上执行城区侦察任务；可以探测和查找建筑物内部的敌对分子或者恐怖分子，并且窃听敌方作战计划等。同时，微型飞行器也是与未来城市作战的武器发展趋势相吻合的。

在民用方面，微型飞行器可用于通信中继、环境研究、自然灾难的监视与支援。微型无人飞行器还可用于边境巡逻、毒品禁运、农业勘测并在未来大型牧场和城区监视等方面具有广阔的市场和应用前景。

根据结构和飞行原理的不同，无人机分为两种^[1]。一是固定翼无人机，分为螺旋桨式无人机和喷气式无人机，其飞行原理是在无人机高速前进的过程中，通过机翼上下气流和气压的不同，产生升力，保持无人机的飞行。二是旋翼无人机，旋翼的数量可以有一个或多个，本课题中研究的是四旋翼飞行器，旋翼无人机的原理是用一个或多个螺旋桨的高速转动产生升力，如果是多个螺旋桨，则需要通过多个螺旋桨的配合保持平衡，并控制无人机6个自由度方向的运动。旋翼无人机最大的特点就是可以垂直起降和悬停，与固定翼无人机相比，有很好的机动性，对场地要求也较小，可扩展功能十分广泛。

四旋翼飞行器与其他多旋翼飞行器相比较，其优点在于，机架易于制作，不容易损坏且容易维修，单位体积拥有更大的动力等。另外，四旋翼无人机有能力在狭窄的空间内实现各种功能。所以，因为其广阔的发展前景，近年来，不仅吸引了科研人员关注，商品市场上也出现了越来越多的无人机。目前，市场上已经有很多民用的无人机产品，主要用于航拍和娱乐方面，户外手控飞行技术已经十分成熟。