摘 要 ：四旋翼飞行器是多旋翼飞行器中结构和控制系统最为简单、应用最广的一种飞行器。其稳定性好、灵活性好，具有多种飞行姿态。通过阐述四旋翼飞行器的发展现状，组织结构、用途、技术特点等内容，对四旋翼飞行器作以介绍，同时对其未来的用途和技术发展方向做出说明。

    关键词 ：四旋翼飞行器；结构组成；用途；发展方向

    引言

    四旋翼飞行器，是一种具有四个螺旋桨的飞行器并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构，相对的螺旋桨旋转方向相同，两组螺旋桨的旋转方向不同。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直起降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行。四旋翼飞行器隶属于多旋翼飞行器。相对于直升机，其稳定性好、灵活性好，但控制系统复杂。相对于固定翼飞行器其具有适应环境能力强，可以多种姿态飞行，如悬停、前飞、侧飞和倒飞等。虽然国际上对四旋翼无人机的研究已经取得了丰硕的成果，并已将研究重点转入智能飞行，并投入商业应用。但是目前国内的研究较少，起步也比较晚。国内部分高校对四旋翼飞行器现在都开展了深入研究，利用现代控制技术和科学技术，实现了定位导航、悬停等功能。

    1 四旋翼飞行器发展现状

    近年来，随着传感器、驱动器、处理器以及能源供给等在技术方面有了突破性的发展，四旋翼飞行器的开发和研制也掀起热潮。在短时间内就吸引了许多研究者的注意，并很快成为当今国际上一个新的研究热点之一。

    2 四旋翼飞行器结构组成

    四旋翼飞行器由四组电机和螺旋桨作为飞行的直接动力源，对称分布在机架悬臂的末端，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，相对电机为一组，螺旋桨旋转方向相同；两组螺旋桨旋转相反。支架中间安放飞行控制板、电池、电调和功能模块。

    四旋翼飞行器因其垂直起降、空中悬停、大容量数据传输能力、使用维护简便、使用维护成本低、无需起飞场地等特点，其用途广泛，涉及领域多，通过调研目前的四旋翼飞行器市场，总结几类用途如下：

    军队应用：丛林的监视和侦察、战术侦察和瞄准、排爆、反海盗、边防监测、空中侦察、巡逻攻击机等。

    警察应用：人质解救和人员搜救、嫌犯和失踪人口查找、交通和人群控制、情报和证据收集、处理突发事件等。

    政府应用：森林防火、国土监管、气象灾害、地质灾害、城市规划、测绘、国土资源勘探、反恐、病虫害防治、防汛抗旱、海事监测等。

    工业应用：电力巡线、电力架线、矿产勘探、气体泄漏检测、建筑工地的计划和监视、场地和基础设施安全等。

    商业应用：物流、餐饮服务、旅游、保险行业、新闻和广告、摄影、摄像、三维测绘等。

    四旋翼飞行器未来的研发方向包括：农用多旋翼无人机；多旋翼无人侦察机；多旋翼巡逻攻击机；舰载多旋翼侦察机等。

    4 技术分析

    四旋翼飞行器的技术难点主要集中在控制技术上，其主要体现在三个方面：

    第一，四旋翼无人飞行器是个欠驱动系统，其控制设计比一般全驱动系统要难的多。此外，它还具有多变量、非线性、强耦合等特性，这使得飞行控制系统的设计变得非常困难。比如飞行器在转弯或横向运动时，飞行器倾斜。此时升力在水平方向产生分力，垂直方向上的分力减小，如何控制保持飞行器在垂直方向上高度不变。

    第二，四旋翼飞行器的自稳控制。飞行器在飞行过程中同时受到多种物理效应的作用，比如受到气流等外部环境的干扰。操纵者很难及时进行调整，这需要飞行控制系统自动进行相应的调整。另外，当四旋翼飞行器的负载改变时，其质量也会发生变化。例如喷洒农药的农用四旋翼无人飞行器，它在实施作业的飞行过程中由于农药不断的消耗，飞行器的重量是在不断变化的。如何保持飞行器在高度方向上不发生改变。这些不确定性将大大增加了控制系统设计的难度。

    5 技术发展方向

    5.1 智能传感器技术

    智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。与一般传感器相比，智能传感器具有以下特点：通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化；高可靠性和高稳定性。飞行器战场上实际应用，需要携带电视摄像机、红外、微光等各种超轻重量的传感器，其感知系统由多个传感器集合而成，采集的信息需要计算机进行处理，使用智能传感器就可以将信息分散处理，从而降低成本。采用智能传感器可进一步提升飞行器的性能，提高飞行器的智能水平。因而传感器智能化是传感器技术发展的重要方向。

    5.2 自主控制技术

    条件不确定的前提下，将最优化求解问题近实时或者实时的予以解决，是自主控制目前面临的最大挑战。而高智能化以及高自主控制是未来四旋翼飞行器的发展方向。但是就目前四旋翼飞行器的技术水平而言，智能化以及自主控制化技术都还处于发展阶段，仍旧不成熟。而想要在各类环境中充分发挥微小型无人机的优势作用，自主飞行功能的实现是必须的。未来的发展要求中，四旋翼飞行器必须能够依照设定的航路自主完成任务，并能够依照形势，自主的控制决策，以原有任务、计划为基础，完成既有使命，这就要求飞行器具备一定的复杂问题处理能力，能够在不确定性的条件中自主决策。飞行器的自主控制的核心技术便是人工智能，人工智能技术水平的高低直接决定了飞行器的自主控制水平。而在这一问题上，仿生感知、仿生控制成为了自主控制技术发展的转折点。

    在任务的执行过程中，飞行器由于各类主客观原因会有所损失。若仅仅只有单飞行器执行任务，那么一旦出现突发情况，飞行器不得不脱离任务，致使任务失败。但是若执行任务的飞行器有多个，以编队的方式执行任务，那么出现单个飞行器脱离任务，只会影响任务完成度。无人机在编队飞行中，通过共享信息可以随时变化队形，并自主灵活的应对突发事件，另外还可以在队伍中编入备用飞行器，以保证任务的执行程度。在战场中，任务的复杂性、多变性较高，因而这种冗余度、可靠性可以确保任务更好地完成，编队飞行的突出特点便在此。飞行器的单独荷载量有限，因此单个飞行器执行任务的困难度较高，而编队协同的方式可以有效提高飞行器应对突发事件的能力，提高任务的成功率，在干扰任务以及侦查任务中发挥巨大的优势。但是对飞行器进行编队需要建立在完善的分布控制技术之上的，因此必须予以深入研究。

    6 结束语

    文章介绍了四旋翼飞行器的组成结构、用途和未来技术发展方向等，对四旋翼飞行器有了概括性的认识。目前，市场上绝大部分的多旋翼飞行器产品都是用来航拍、航测，只有小部分产品应用于农业喷洒和军事侦察，但是随着对四旋翼、甚至多旋翼飞行器的研究与探索，将会有更多的用途体现出来。

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