微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析
四旋翼无人机研究现状及研究意义
四旋翼无人机研究现状及研究意义四旋翼无人机是一种可以进行垂直起降和悬停的飞行器。
它由四个垂直起降的电动螺旋桨和一个设备负载平台组成，可以携带各种传感器和设备，用于完成各种任务，如航拍、输送物资、监视和侦查等。
近年来，四旋翼无人机的研究不断发展，它在农业、气象、电力、物流等领域得到了广泛应用。
目前，四旋翼无人机研究的主要方向包括控制系统、感知与导航、通信与协同和物理设计等。
控制系统研究主要包括飞控算法、姿态控制和轨迹规划等，旨在提高无人机的飞行稳定性和精确性。
感知与导航研究主要关注无人机的环境感知和自主导航能力，包括视觉识别、避障和地图构建等。
通信与协同研究主要关注无人机之间的信息交流和协同任务能力，实现多机协同和群体行为。
物理设计研究主要关注无人机的结构设计和材料选择，以提高无人机的轻巧性和飞行效率。
四旋翼无人机的研究具有重要的意义。
首先，四旋翼无人机可以完成人力难以达到的任务，如航拍高空照片、观察植物生长和监测天气等，为科学研究和实际应用提供了有力的工具。
其次，四旋翼无人机可以实现航空领域的自主化和智能化，通过自主导航和协同任务能力提高飞行器的效能和安全性。
再次，四旋翼无人机在物流和运输领域的应用前景广阔，可以实现货物的快速和安全运输，减少人力和时间成本。
最后，四旋翼无人机在农业领域的应用也具有重要意义，可以实现农作物的精细管理和立体耕作，提高农业生产效益。
总之，四旋翼无人机的研究正在不断发展，它的应用领域广泛，具有重要的研究意义和实际应用价值。
在未来的研究中，需要加强控制系统的研究，提高飞行器的稳定性和控制精度。
同时，还需要加强对感知与导航、通信与协同和物理设计等方面的研究，实现无人机的自主化和智能化。
更加全面和深入的研究将促进无人机技术的进一步发展和应用。
微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术
2004 年 , 已经分别基于多种控制算法(例如 :PID[ 5] 、 LQ[ 5] 、Backstepping[ 6] 、Sliding -mode[ 6] ), 实现了飞行 器姿态控制 。
OS4 II 的机身最大长度 72 cm , 重 520 g ;机载 230 g 的锂电池 ,能提供自主飞行 30 min 的能量 。它与 OS4 I 的区别主要有:使用了桨叶面积更大的新旋翼;使用了 更轻 、功率更大的 LRK 无刷电机 BLDC ;使用皮带减速 装置代替了电机减速箱 ;控制器 、传感器 、电池和电机 驱动模块等都直接安装在机体上 , 不再由机体外部提 供 。2006 年 1 月 ,EPFL 已经实现了 OS4 II 在室内环境 中基于惯导的自主悬停控制 。
0 引言
微小型四旋翼飞行器是一种电动的 、能够垂直 起降(VTOL)的 、多旋翼式遥控 自 主飞行器 。 它在 总体布局形式上属于非共轴式碟形飞行器 , 与常规 旋翼式飞行器相比 , 其结构更为紧凑 , 能够产生更大 的升力 , 并且 4 只旋翼可相互抵消反扭力矩 , 不需要 专门的反扭矩桨 。
早在 1907 年 , Bréguet -Richet 就让世界上第一 架四旋翼飞行器“ Gyroplane No .1 ” 升上了天空[ 1] 。
X -UFO 机体最大长度 68 .5 cm , 高 14 cm ;持续 飞行时间约 5 min ;遥 控距离可达 100 m 。X -UFO 的旋翼被置于发 泡聚丙烯(EPP)制成的圆环中 , 比 Draganflyer Ⅲ有更好的安全性 。
图 1 Draganflyer Ⅲ 图 2 X-UFO
OS4 是 EPFL 自动化系统实验室开发的一种电 动小型法 , 目标是要实现室内和室外环 境中的完全自主飞行 。
四旋翼无人机前沿报告
四旋翼无人机前沿报告近些年来，各国的许多研究机构都对小型四旋翼无人机进行了一系列的研究，下面列出来一些比较有代表性的四旋翼无人机研究成果。
一、国内外技术发展现状1.“蜻蜓”无人机近期，约翰-霍普金斯大学的应用物理实验室的一个研究小组就开发出了一个叫做“蜻蜓（Dragonfly）”的概念无人机任务。
该任务提出了一款利用放射性同位素驱动的双四旋翼飞行器，它将可以在土星最大的卫星Titan上执行太空任务。
蜻蜓项目首席研究员Elizabeth Turtle指出，这种实验是他们在实验室无法进行的，因为涉及到时间尺度问题，而Titan富含有有机分子和液态水的表面却能维持很长一段时间的时间尺度。
该项目就是为了研究Titan生命前化学而设计的。
由于Titan表层厚重的云层使得那里的太阳能效率并不高，为此，研究人员改用了多任务放射性同位素热电机（MMRTG）为飞行器提供能源。
据了解，MMRTG能让这架双四旋翼无人机在白天持续飞行一个小时的时间，夜晚它将接受充电。
蜻蜓无人机的空气流动可以让它收集样本和测量的种类获得增加。
在时长1个小时的飞行中，飞行器大概能飞10到20公里。
这意味着蜻蜓可以在为期两年的任务中探测到的范围非常广。
2.“OS4”四旋翼无人机OS4是EPFL自动化系统实验室开发的一种小型四旋翼飞行器，研究的重点是自主飞行控制算法和机构设计方法，目标是要实现室内和室外环境中的完全自主飞行。
目前，该项目以及进行了两个阶段。
OS4I最大长度约为73CM，质量为235g，它使用了Draganflyer3的十字框架和旋翼，电机型号为Faulhaber1724,微惯性测量单元为Xsens的MT9-B。
研究人员通过万向节将它固定在飞行测试平台上，使其只具有3个转动自由度；电机驱动模块、能源供给、数据处理等都由飞行器外部提供。
目前，EPFL已经实现了OS4 2在室内环境中给予惯导的自主悬停控制。
3.GTMARS无人机系统GTMARS是佐治亚理工大学面向火星探测任务而设计的无人机系统。
四旋翼无人机发展现状
四旋翼无人机发展现状近年来，四旋翼无人机的发展取得了快速的进步。
无人机技术的不断创新和市场需求的增长推动了四旋翼无人机的发展。
首先，四旋翼无人机的技术不断提升。
新型的无人机采用了更加先进的材料和组件，提高了飞行的稳定性和精度。
例如，一些无人机使用了高性能的陀螺仪和加速度计，能够更好地感知飞行状态并作出相应的调整。
同时，无人机的传感器技术也得到了突破，使得无人机可以进行更加精确的定位和避障。
其次，四旋翼无人机的功能不断扩展。
除了传统的航拍功能，无人机在农业、物流、救援等领域也开始得到广泛应用。
农业无人机可以帮助农民进行植保、喷洒等工作，提高作业效率；物流无人机可以快速送达货物，减少人力成本和交通拥堵问题；救援无人机可以用于搜救、灾情评估等任务，提高救援效率。
此外，四旋翼无人机的市场规模也在迅速扩大。
随着无人机技术的普及和大众对无人机的认可度提升，越来越多的人开始购买和使用无人机。
各大厂商纷纷推出了更加便携、易操作的无人机产品，并不断加大对无人机市场的投入。
同时，政府也积极出台相关法规和政策，为无人机的发展提供了良好的环境和保障。
然而，在四旋翼无人机发展的同时，也存在一些挑战和问题。
其中，安全问题是最突出的一个。
无人机的飞行安全、隐私保护等问题亟待解决。
此外，无人机的航程和续航能力仍然有限，需要更加高效的能源管理和充电技术来解决。
综上所述，四旋翼无人机在技术、功能和市场规模等方面都取得了显著的发展。
随着技术的不断进步和市场的不断扩大，四旋翼无人机的应用前景将会更加广阔。
然而，我们也需要持续关注随之而来的安全和管理问题，以确保无人机的可持续发展。
微型无人机技术的研究现状与前景
微型无人机技术的研究现状与前景随着科学技术的不断发展和进步，无人机技术得到了很大的发展，其在军事、民用和商业领域都得到了广泛应用，无人机技术
产业呈现了快速的发展趋势，尤其是微型无人机技术的研究现状
与前景备受关注。
微型无人机是指尺寸小于15厘米的无人机，其体积小、质量轻、简单易操控、灵活性强、可在复杂环境下作业，并具备高清
图像传输、实时监控、信息搜集等功能。
目前，微型无人机已广
泛应用于军事侦察、灾情等情景的监察、搜索与救援，以及拍摄、舆情监测、景区拍摄等领域。
在现有技术的支持下，微型无人机的发展前景广阔。
首先，其
可以用于空气污染检测、水质监测等环境监测领域，可以为环保
工作提供帮助。
其次，微型无人机可以与人工智能技术结合，通
过自主维修检测、数据处理、飞行避障等功能使其具有更多的应
用场景。
此外，无人机技术与物联网技术结合也是无人机技术发
展的一个方向，无人机与各类传感器和设备连接起来，以实现智
能化运作，打造更加高效、安全的无人机系统。
然而，微型无人机技术的研究还面临着一些挑战。
首先，其体积小，所能搭载的传感器和设备有限，需要不断提高较小质量下的性能和灵活性。
此外，金属等物质在小尺寸下会出现固体、液态物质的良好相互作用等特性，需要通过纳米技术等手段减小其对飞行质量的影响。
同时，无人机飞行所需要的能量更为稀缺，在性能和续航方面也需要不断提高。
总之，微型无人机技术是未来无人机技术发展的趋势之一，其具有优势，也存在一些挑战，需要不断推进技术和研发，以实现更加高效、更加智能的微型无人机系统，推动其在军事、民用和商业领域的广泛应用。
浅析小型旋翼无人机应用及其发展
浅析小型旋翼无人机应用及其发展摘要：随着现代科技水平的不断提高，无人机逐渐进入公众的视野，而航拍无人机更是在近几年的大型节目中屡试身手，拍摄的效果也更是被观众所认可。
无人机广义上是指不载有操作人员可以自主飞行或遥控驾驶的飞行器，其最大特点是实现垂直起降，操作灵活，性能优越。
在航拍无人机后又衍生出植保无人机，消防无人机，快递无人机等各具特殊功能的无人机。
本文主要围绕小型旋翼无人机总结了旋翼无人机技术，旋翼无人机发展应用，以及对未来的展望。
关键词：旋翼无人机；航拍；物流运输1.引言在众多种类无人机当中，小型旋翼无人机占有相当高的地位。
小型旋翼无人机以其具有垂直起降的特点刷新人们对以往飞机需要专业机场的认识，因此降低了研究门槛并被开发出多种版本，小型旋翼无人机更以其出色的安全性而被人们所接纳。
目前，小型旋翼无人机已经深入到人类生产生活的各个角落，在航空拍摄、物流运输、测绘探险、刑事侦探方面发挥着不可替代的作用。
2.无人机2.1无人机分类无人机泛指不载有操作人员可以自主飞行或遥控驾驶的飞行器，无人机可分三大类，分别是多旋翼、固定翼、直升机，多旋翼类主要通过多个旋翼提供升力，通过对电机转速的调整来控制飞行轨迹；固定翼类主要通过机翼上下表面空气流速不同形成的压强差提供升力，通过对舵面的调整来控制飞机姿态；直升机通过主旋翼提供升力，尾旋翼平衡主旋翼的扭矩使得直升机姿态稳定，通过对螺距的调整来控制飞行姿态。
多旋翼无人机具有操纵相对固定翼较简单，可垂直起降，定点悬停，和超低空飞行等优点，但在续航时间和任务载重上有不足[1]。
固定翼无人机具有续航时间较长，航程大和任务载重较大等优点，但在目标执行精确度，起降环境要求高和操纵较难的缺点。
直升机具有和多旋翼基本相似的优缺点，但其在稳定性上仍有不足。
2.2旋翼无人机结构旋翼无人机主要由机身，电动机，螺旋桨，电子调速器，动力电池，相机，云台，飞行控制模块（IMU）,GPS模块，IOSD数据叠加模块，图像传输模块，接收模块组成。
微型四旋翼飞行器及关键技术分析
·263·Shang Pin Yu Zhi Liang 商品与质量技术探讨Ji Shu Tan Tao 引言当前四旋翼飞行器的研究在国外处于领先地位，我国对四旋翼飞行器的研究还处于起步阶段，但在国内各所高效内已经相继开展了四旋翼飞行器的研究工作，当前国内已经完成完整的飞行器数学模型的建立以及飞行器系统的软硬件设计，结合多种控制方法的应用，实现四旋翼飞行器设计上的突破性进展。
一、四旋翼飞行器的研究现状目前世界上的四旋翼飞行器一般可分为三类：遥控航模四旋翼飞行器、小型四旋翼飞行器以及微型四旋翼飞行器。
1.1遥控航模四旋翼飞行器美国的Dragon flyer 公司研制的Dragon flyer 和香港银辉玩具制品有限公司研制的X-UFO 是遥控航模四旋翼飞行器的典型代表，前者主要用于航拍，机体有效载荷达到113.2g，旋翼直径28cm，机体由碳纤维和高性能塑料构成，可实现16到20分钟的持续飞行。
X- UFO 为玩具制品，机体最大长度 68.5 cm， 高14cm，持续飞行时间约为5分钟，100米的遥控距离，但安全性较高。
1.2小型四旋翼飞行器当前小型四旋翼飞行器的研究主要集中在基于惯导的自主飞行控制、基于视觉的自主飞行控制和自主飞行器系统方案三个方面。
瑞士几所大学研发了OS4、HMX4和GTMARS 小型四旋翼飞行器。
其中OS4融入了小型飞行器机构设计的新方法和自助飞行控制算法，可以实现室内和室外环境的飞行的完全自主化。
其中OS4I 的最大长度约 73 cm， 质量为 235 g，采用了Dragon flyer 的旋翼和十字框架，研究人员将一个X sense 的MT9- B 微惯性测量单元通过万向节固定于飞行测试平台上，控制其具有三个转动自由度，通过多种控制算法的应用实现飞行器的姿态控制。
1.3微型四旋翼飞行器德国2006年研发的md-200微型四旋翼飞行器推出后，在欧洲的警察、消防、军队等多个领域快速应用，在欧洲市场取得了巨大的成功。
微型飞行器的研究进展和关键技术
微型飞行器的研究进展和关键技术作者：于海山王子琦来源：《科技创新与应用》2018年第15期摘要：随着芯片技术和单片技术的快速发展，微型飞行器在日常生活中也越来越常见，无论是娱乐、科研还是工作，微型飞行器的应用越来越广泛。
由于微型飞行器的体积小、重量轻、携带方便，可广泛适应于各个应用场景，因此得到了广大使用者的青睐，也推动了我国微型飞行器技术的快速发展。
文章首先对微型飞行器的研究进展和研究现状做简要的介绍，然后针对微型飞行器的关键技术进行详细的说明，为今后微型飞行器的研究指出相应的研究方向。
关键词：微型飞行器；研究；进展；关键技术中图分类号：V279+.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）15-0143-02Abstract： With the rapid development of chip technology and monolithic technology， micro air vehicle is becoming more and more common in daily life. Whether it is entertainment， scientific research or work， the application of micro air vehicle is more and more extensive. Because of its small size， light weight， and easiness to carry， it can be widely used in various application scenarios， so it has been favored by the vast number of users， and has also promoted the rapid development of microair vehicle technology in China. In this paper， the research progress and current situation of micro air vehicle are briefly introduced， then the key technology of micro air vehicle is described in detail， and the corresponding research direction is pointed out for the future research of micro air vehicle.Keywords： micro air vehicle； research； progress； key technology引言随着科学技术的快速发展，微型飞行器在日常生活中的应用也越来越广泛。
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国内开展了 微 小型 四 旋翼 无 人机 的 相关 技 术研 究。主要两种四旋翼, 图 4所 示四旋 翼机 身由两 支空 心铝竿构成; 动 力 设备 采 用 Dragan flyer ! 旋 翼、 瑞士 M axon 电机以及自行 设计 的齿轮 减速 装置; 飞行 控制 系统主要包括飞行控 制计 算机、 旋 翼转速 伺服 控制子 系统、 传感器子系统、 无线通信子系统。图 5 所示四旋 翼采用玻纤板结构, 重量轻, 且不易损坏。螺旋桨采用 10 in( 1 in = 2. 54 c m ) GW S 三叶正反桨, 经过多次飞行 试验证明该桨抗 撞击 力强, 不 易折断。视 频采 集模块 可以实时传输视频 (图 像压 缩, 可以 通过 W iF i实时传 输 ) , 数据加载卡可记录飞行数据。下一步的研究目标 是实现在室外环境中 高精 度姿态 稳定控 制、 全 自主航 点飞行、 碰撞规避等实验。
图 2 X 4 F ly er 图 3 X 4 F lyer M ark I 四旋翼平台 F ig . 3 X 4 F lye rM a rk I M ark II四旋翼 平台 F ig . 2 X 4 F lye rM ark II
1 . 1 微小型四旋翼原型探索研究与开发 主要介绍瑞士洛桑联邦科技学 院 ( EPFL ), 澳 大利 亚国立大学 ( AUN ) 以 及 国内 某大 学在 微 小型 四旋 翼 无人机原型探索方面的研究进展。 瑞士洛桑联 邦科技 学院 OS4项 目 ( Omn id irect ional
。 OS4四旋翼无
人机是由电 力驱动的 (见图 1) , 可在室内 /外环 境全自 主飞行。 OS4原型是全自主四旋翼平台, 该项目的研究 目标是设 计和 开发一 个自主 控制 四旋翼 直升 机系统。 此外, EPFL 还研究了 OS4的避障问题 , 使用 4个超声 波传感器探测障碍物、 一个 超声波传感 器测高度, 并在 M atlab /S m i u link仿真环 境下进行了 OS4 避障模 型的测 试, 设计了避障控制器、 基于 位置和速度 控制的 5 种不 同避碰方法, 并做了 相关测试 实验证 明, OS4在 仿真环
收稿日期 : 2010 - 03- 28 究项目资助 ( 6138101001 ) 作者简介 : 岳基隆 ( 1982 ) , 男 , 甘肃兰州人 , 硕士生 , 研究方向为微 小型无人机自主飞行控制。 修回日期 : 2010- 05- 19 基金项目 : 国防基础研究项目资助 ( A 2820080247 ) ; 国家安全 基础研
A bstract : W ith the develop m en t of embedded processors , m icro sensor techno lo gy and contro l theory , m icro quad ro tor UAV is g radually deve lo ped to be m ore e ff ic ient and m u lti fu nctiona, l and has found w id e application in m ilitary , c iv ilian, scientific research and other fie ld s . F irst o f a l,l the latest research situat ion at hom e and abroad is introduced from th ree aspects of pro totype research and developm en, t p latfo r m in tegration and comm ercia l applicat io n . Second , accordin g to the characterist ics of quad rotor UAV, the key technolog ies of m icro electrical system, aerodyna m ic design , nonlinear system m ode ling and flig ht contro l are ana ly zed in detai. l F in ally , the future developm ent trend of quad ro tor UAV is presented based on the research progress and key techno log ies analysis. K ey words : quad ro tor ; Unm anned Aerial V eh icle( UAV) ; developm en; t key techno logy
品等各方面的广泛应用, 世界各国都开始竞相开发研制 遥控式、 半自主式或自主式的单兵可携带的微小型无人 机, 并逐步装 备部 队。微 型无人 机可 以完 成超 低空 侦 察、 干扰、 监视等 各种复杂的任 务。载有 全天候图像 传 感器的微小型无人机可以近距离对目标实施侦察监视。 四旋翼无人机由于能够垂直 起降 ( V ertical T ak eoff and Land ing, VTOL )、 自由 悬停, 可适 应于 各 种速 度及 各种飞行剖 面 航路 的飞 行 状况。 它具 有 如下 几 个特 点: 1) 体积小、 重量轻、 隐蔽性好, 适合多 平台, 多空间 使用, 可以 在地面、 军舰上灵 活垂直 起降, 不 需要弹射 器、 发射架进行发射; 2) 飞行高度低, 具有 很强的机动
性, 执行特种任务能力强, 微小型四旋翼无人机飞行高 度为几米到几百米, 飞行速度为每秒几米到几十米, 能 钻到建筑物或洞穴隧 道内 执行侦 察任务, 便于 在复杂 环境下使用, 可以对细小环节进行侦察; 3 ) 结构简单,
第 10 期
岳基隆等 :
微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析
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成本低, 安全性好, 四旋翼无人机可以提供准确实 时的 目标探测信息, 成本较低, 拆卸方便, 且易于维护。
表 1 垂直起降飞机 ( VTOL )性能比较 T ab le 1 V er tica l Tak eoff and L and ing ( VTOL ) con cep ts com par ison
A 动力代价 控制代价 负载 /体积 机动性 机械简单性 空气动力复杂性 低速飞行 高速飞行 小型化 生存能力 静态飞行 总和 2 1 2 4 1 1 4 2 2 1 4 24 B 2 1 2 3 2 1 3 4 3 3 4 28 C 2 4 4 2 3 1 4 1 4 3 4 32 D 2 2 3 2 1 1 3 2 2 1 4 23 E 1 3 3 3 4 4 4 3 3 1 4 33 F 4 3 1 1 4 3 4 1 1 3 3 28 G 3 2 2 3 1 1 2 3 2 2 1 22 H 3 1 1 3 1 1 2 3 4 3 2 24
R esearch Progress and K ey Technologies ofM icro Quad R otor UAV s
YUE Jilong , ZHANG Q ing jie , ZHU H uayong
( Co llege ofM echtron ic& A uto m ation, N a tiona lU n ive rs ity o f D efense T echno logy , Changsha 410073, Ch ina)
境中能够避开障碍物, 安全飞行。下一步研究重点是增 强平台推力, 使 OS4更可靠, 提高自主飞行能力, 改进视 觉传感器以及测试航点跟随和机动避障能力。
1 微小型四旋翼无人机研究进展
作为一种微小型无人机, 四旋翼无人机拥有其他无 人机不可具有的诸多优势
[ 1]
(见表 1), 是一种新型无人
机, 因此无论是在军事领域还是在民用领域都有着广阔 的应用前景。表 1 中: 1表示差; 4表示很好; A 为传统直 升机; B 为单主旋翼带尾桨式直升机; C 为共轴双旋翼直 升机; D 为纵列式双旋翼直升机; E 为四旋翼; F 为软体 飞行器; G 为仿鸟飞行器; H 为仿昆虫飞行器。
要 : 随着嵌入式处理器 、 微传感器技术和控制理论的发展和成熟 , 微小 型四旋翼无 人机逐步 向高效 、 多功能化 方
向发展 , 并广泛应用于军事 、 民用 、 以及科学研究等多 个领域 。 首先 , 从原型研发 、 平台集成和商 业化应用 3 个方面 介 绍了目前国内外在该领域最新的研究情况 。 结合四旋翼无人机 的特点 , 着重分 析了微型机 电系统 、 空气动 力学设计 、 非线性系统建模以及飞行控制等关键技术 。 最后 , 在国内 外研究 进展和 关键技 术分析 的基础 上 , 指 出了未 来四旋 翼 无人机技术发展趋势 。 关键词 : 四旋翼 ; 无人机 ; 进展 ; 关键技术 中图分类号 : V 279 文献标志码 : A 文章编号 : 1671- 637X ( 2010) 10- 0046- 07
图 1 瑞士洛桑联邦 科技学院 OS4 F ig . 1 Sw itze rland EPFL O S4
[ 4]
X 4 F lyer M ark II 是 AUN ( A ustralian N ation al Un ivers ity)开发的四旋翼实验平台 (见图 2) , 其动力学 特性比早期开发的 X 4 F lyerM ark I ( 见图 3) 更理想, 飞行器的控制算法运算可由机载计算机独立完成。 X 4 F lyer M ark II飞行器 比其 他四 旋翼无 人机 实验 平台 都重 ( 见表 2 ), 采用碳 纤维 机架和 铝制 底盘。该 平台 结构稳定, 有特定机载航空电子设备, 并且设计了一个 特殊的航空弹性叶片。M at lab 仿真分析表 明倒转四旋 翼结构有利于四旋翼 的稳 定飞行, 并具有 较高 的抗干 扰能力。 X F lyerM ark 采用线 性 SISO 控制 器用于姿 态控制, 以解决俯仰和横滚模态耦合性, 并使用干扰输 入模型来估计对象的 执行 效果, 补 偿器能 有效 调节高 度和旋翼速度。