四旋翼无人机前沿报告
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二、现状的总结和思考
四旋翼无人机的发展不断朝着智能化、集成化发展，未来的四旋翼无人机飞行动力以及能源问题将会得到解决，利用燃料电池、太阳能电池或者油动发动机，其续航时间将会大大增加；其飞行控制系统将是一个集成导航、通信、自动控制的飞行芯片，运用更高级的控制算法，实现多旋翼无人机与大型多旋翼无人机并驾齐驱发展，其中大型多旋翼能搭载更多的任务设备甚至载人飞行。
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。
[7]刘焕业，小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计，硕士学位论文，上海，上海交通大学，2009
[8]吴森唐，费玉华。飞行控制系统。北京航空航天大学出版社，2005.09
在2013年，一个TED的无人机视频火遍了全网，叫做《四旋翼直升机的惊人运动机能》，视频中演示人员用平衡杆、乒乓球、酒杯等向我们演示了无人机的运动能力，让人叹为观止。最后研究人员表示这一切的运动能力的来源都是算法的作用。时间过去了几年，Raffaello D'Andrea和他创立的工作室可没闲着：他们让无人机作为搬运工，在法国当代艺术中心上演了一场运货表演——用1500块砖搭建了6米高的塔。以及操纵无人机用绳子编出一座简易桥梁（确实可以使用）。
参考文献
[1]赵毓. 基于群体智能算法的无人机航迹规划研究[D].哈尔滨工业大学，2016
[2]李辉，芦利斌，金国栋. 基于Kinect的四旋翼无人机体感控制[J]. 传感器与微系统，2015，（08）：99-102
[3]邹湘伏，何清华，贺继林. 无人机发展现状及相关技术[J]. 飞航导弹，2006，（10）：9-14.
图1-5：四旋翼式蜂鸟无人机
目前我国的无人机产业最耀眼的明星就是大疆创新了。大疆是一家总部位于中国深圳的无人机制造厂商，成立于2006年。该公司生产的DJI无人机被广泛运用于航拍，并且很受专业及业余级摄影师们的青睐。其产品线涵盖中端价位的Phantom以及高端市场绝对王者的Inspire系列。
一架无人机系统由地面站、飞机、链路三个核心部分组成。无人机地面站是整个无人机系统的指挥控制中心，专门用于对无人机的地面控制和管理。飞机是无人机系统的主体，而它的核心组件是其飞行控制系统（简称飞控），它是飞行器稳定飞行的保证。链路主要负责飞机与地面站之间的通讯，通过多种通信方式将飞机上的飞行数据实时传输到地面站，并可以将地面站发出的控制信号传给飞机，从而使得无人机按照既定的指令飞行。
[4]高倩，徐文.国外微型无人机发展概况. 飞航导弹，2003，（06Hale Waihona Puke Baidu：14-18
[5]李占科，宋笔锋. 微型飞行器的研究现状及其关键技术[J].飞行力学，2003，21（4）：124
[6]邱立葳，宋梓山，沈伟群.用于无人直升机着舰系统控制的计算机视觉技术研究[J].航空学报，2003，（04）.
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。
4.Microdrones四旋翼无人机
德国Microdrones公司开发出了一款小型四旋翼无人机，型号为MD4-200，这个无人机采用MD公司自行设计的盘式电机，机身全部用碳纤维制作，悬停时电流参考值为2A，装有GPS定位系统，并配有相应的地面站系统以及视频传输系统。
Sanford大学使用一个改进后的Drangonflyer作为其自主飞行器Multi-Agent控制研究的测试平台。选择Draganflyer四旋翼无人机进行方案验证。Draganflyer原先的芯片被Stanford大学自主设计的控制器所取代。这款控制器用于执行所以的传感和通讯任务，他由如下组件构成：一个被称为MicroStrain的商用IMU，两块PICS微控制芯片，一个超声速声纳定位传感器，一个GPS单元和一个有效距离为150—300英尺的而行蓝牙设备。地面计算系统由几台PC机和一个配有用于遥控飞行器的标准操作杆的笔记本电脑组成。IMU从传感器得到相关数据后估算出当前飞行器的高度及其变化速度，然后将这两个数据输出，由于飞行器的支架在升力很大时会有强烈的震动，这两个数据很可能混有较大的噪声，因而准确性较低。系统同时加入了一个红外距离传感器来帮助飞行器飞行轨迹在特定区域时的声纳测距任务。使用卡尔曼滤波器对位置和速度的信息进行估计。实验表明，该飞行器在户外盘旋状态下表现良好。并具有一定的抗风险能力。
3）体感控制技术
体感控制包括手势和姿态，类似于PS4等游戏机上的体感控制，有着直观、易学、易操作等特点。随着信息时代的不断发展，人机交互越来越成为科研人员研究的重点，Kinect传感器作为人机交互的中介，自然会被应用到无人机的控制中来。
Kinect传感器由Microsoft公司于2010年推出，可以同时获取彩色图像数据和深度图像数据，支持实时的全身骨骼跟踪，获取人体骨架的20个关节点[2]。同时，Kinect SDK允许开发者借助Visual Studio 2010进行相关开发，通过相关算法设计实现人体的动作识别。
图1-6大疆无人机
我认为目前我们的无人机应该更加的重视交互技术：
1）手势控制技术
手势交互是一种未来的人机交互趋势，目前在精确度上存在挑战。在CES2014的展场上，有利用MYO手势控制臂带来控制AR.Drone2.0四旋翼的演示。
2）脑机接口技术
近年来，科研人员在多个领域都运用到了BCI（Brain Computer Interface）脑机接口技术）技术，各类科技公司运用该技术制作新型玩具、为残疾人制作义肢。但若是作为对安全性要求较高的飞行器，这种技术目前还不成熟。它可作为一种验证性质的技术展示，离实际还有不少距离。
从上述的研究状况可以看出，四旋翼无人机的研究重点一是功能全面的控制器与传感器系统，二是四旋翼无人机的控制方法。控制器与传感器系统大多包括微控制芯片、导航系统、各种测距传感器以及视觉辅助设备。控制方法比较多样，PID、LQ、Backstepping、Sliding-mode等都有应用。
5.四旋翼无人机的运动能力
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。它中20KG，旋翼半径0.92m，续航时间30min。GTMARS开始为折叠状态，陆器登陆火星后，几个将自动展开，它能够自主起飞和降落，巡航速度可达72KM/H，当能量不足时，它可以返回到着陆器补充能量，着陆器装载有太阳能电池。
无人机不论是从它的发展前景，理论技术还是从发展传统汽车行业，增大行业竞争力来看都是非常具有研究潜力的。这些系统的出现离不开很多关键技术，也正是因为这些技术的进步，未来的无人机将会跃向一个新的高度。以史为鉴，我们不难发现无人机发展有几个大致方向：更精密的算法使它们变得越来越智能，而多项尖端科技的加持，减轻了无人机驾驶员在操作无人机时的负担，使得无人机更加“来去自如”。而无人机的高速发展与科研人员的定向研究必将会使它们的成本变低，未来无人机将会步入普通家庭，成为民用的摄影、探索利器。
四旋翼无人机的发展不断朝着智能化、集成化发展，未来的四旋翼无人机飞行动力以及能源问题将会得到解决，利用燃料电池、太阳能电池或者油动发动机，其续航时间将会大大增加；其飞行控制系统将是一个集成导航、通信、自动控制的飞行芯片，运用更高级的控制算法，实现多旋翼无人机与大型多旋翼无人机并驾齐驱发展，其中大型多旋翼能搭载更多的任务设备甚至载人飞行。
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。
[7]刘焕业，小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计，硕士学位论文，上海，上海交通大学，2009
[8]吴森唐，费玉华。飞行控制系统。北京航空航天大学出版社，2005.09
在2013年，一个TED的无人机视频火遍了全网，叫做《四旋翼直升机的惊人运动机能》，视频中演示人员用平衡杆、乒乓球、酒杯等向我们演示了无人机的运动能力，让人叹为观止。最后研究人员表示这一切的运动能力的来源都是算法的作用。时间过去了几年，Raffaello D'Andrea和他创立的工作室可没闲着：他们让无人机作为搬运工，在法国当代艺术中心上演了一场运货表演——用1500块砖搭建了6米高的塔。以及操纵无人机用绳子编出一座简易桥梁（确实可以使用）。
参考文献
[1]赵毓. 基于群体智能算法的无人机航迹规划研究[D].哈尔滨工业大学，2016
[2]李辉，芦利斌，金国栋. 基于Kinect的四旋翼无人机体感控制[J]. 传感器与微系统，2015，（08）：99-102
[3]邹湘伏，何清华，贺继林. 无人机发展现状及相关技术[J]. 飞航导弹，2006，（10）：9-14.
图1-5：四旋翼式蜂鸟无人机
目前我国的无人机产业最耀眼的明星就是大疆创新了。大疆是一家总部位于中国深圳的无人机制造厂商，成立于2006年。该公司生产的DJI无人机被广泛运用于航拍，并且很受专业及业余级摄影师们的青睐。其产品线涵盖中端价位的Phantom以及高端市场绝对王者的Inspire系列。
一架无人机系统由地面站、飞机、链路三个核心部分组成。无人机地面站是整个无人机系统的指挥控制中心，专门用于对无人机的地面控制和管理。飞机是无人机系统的主体，而它的核心组件是其飞行控制系统（简称飞控），它是飞行器稳定飞行的保证。链路主要负责飞机与地面站之间的通讯，通过多种通信方式将飞机上的飞行数据实时传输到地面站，并可以将地面站发出的控制信号传给飞机，从而使得无人机按照既定的指令飞行。
[4]高倩，徐文.国外微型无人机发展概况. 飞航导弹，2003，（06Hale Waihona Puke Baidu：14-18
[5]李占科，宋笔锋. 微型飞行器的研究现状及其关键技术[J].飞行力学，2003，21（4）：124
[6]邱立葳，宋梓山，沈伟群.用于无人直升机着舰系统控制的计算机视觉技术研究[J].航空学报，2003，（04）.
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。
4.Microdrones四旋翼无人机
德国Microdrones公司开发出了一款小型四旋翼无人机，型号为MD4-200，这个无人机采用MD公司自行设计的盘式电机，机身全部用碳纤维制作，悬停时电流参考值为2A，装有GPS定位系统，并配有相应的地面站系统以及视频传输系统。
Sanford大学使用一个改进后的Drangonflyer作为其自主飞行器Multi-Agent控制研究的测试平台。选择Draganflyer四旋翼无人机进行方案验证。Draganflyer原先的芯片被Stanford大学自主设计的控制器所取代。这款控制器用于执行所以的传感和通讯任务，他由如下组件构成：一个被称为MicroStrain的商用IMU，两块PICS微控制芯片，一个超声速声纳定位传感器，一个GPS单元和一个有效距离为150—300英尺的而行蓝牙设备。地面计算系统由几台PC机和一个配有用于遥控飞行器的标准操作杆的笔记本电脑组成。IMU从传感器得到相关数据后估算出当前飞行器的高度及其变化速度，然后将这两个数据输出，由于飞行器的支架在升力很大时会有强烈的震动，这两个数据很可能混有较大的噪声，因而准确性较低。系统同时加入了一个红外距离传感器来帮助飞行器飞行轨迹在特定区域时的声纳测距任务。使用卡尔曼滤波器对位置和速度的信息进行估计。实验表明，该飞行器在户外盘旋状态下表现良好。并具有一定的抗风险能力。
3）体感控制技术
体感控制包括手势和姿态，类似于PS4等游戏机上的体感控制，有着直观、易学、易操作等特点。随着信息时代的不断发展，人机交互越来越成为科研人员研究的重点，Kinect传感器作为人机交互的中介，自然会被应用到无人机的控制中来。
Kinect传感器由Microsoft公司于2010年推出，可以同时获取彩色图像数据和深度图像数据，支持实时的全身骨骼跟踪，获取人体骨架的20个关节点[2]。同时，Kinect SDK允许开发者借助Visual Studio 2010进行相关开发，通过相关算法设计实现人体的动作识别。
图1-6大疆无人机
我认为目前我们的无人机应该更加的重视交互技术：
1）手势控制技术
手势交互是一种未来的人机交互趋势，目前在精确度上存在挑战。在CES2014的展场上，有利用MYO手势控制臂带来控制AR.Drone2.0四旋翼的演示。
2）脑机接口技术
近年来，科研人员在多个领域都运用到了BCI（Brain Computer Interface）脑机接口技术）技术，各类科技公司运用该技术制作新型玩具、为残疾人制作义肢。但若是作为对安全性要求较高的飞行器，这种技术目前还不成熟。它可作为一种验证性质的技术展示，离实际还有不少距离。
从上述的研究状况可以看出，四旋翼无人机的研究重点一是功能全面的控制器与传感器系统，二是四旋翼无人机的控制方法。控制器与传感器系统大多包括微控制芯片、导航系统、各种测距传感器以及视觉辅助设备。控制方法比较多样，PID、LQ、Backstepping、Sliding-mode等都有应用。
5.四旋翼无人机的运动能力
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。它中20KG，旋翼半径0.92m，续航时间30min。GTMARS开始为折叠状态，陆器登陆火星后，几个将自动展开，它能够自主起飞和降落，巡航速度可达72KM/H，当能量不足时，它可以返回到着陆器补充能量，着陆器装载有太阳能电池。
无人机不论是从它的发展前景，理论技术还是从发展传统汽车行业，增大行业竞争力来看都是非常具有研究潜力的。这些系统的出现离不开很多关键技术，也正是因为这些技术的进步，未来的无人机将会跃向一个新的高度。以史为鉴，我们不难发现无人机发展有几个大致方向：更精密的算法使它们变得越来越智能，而多项尖端科技的加持，减轻了无人机驾驶员在操作无人机时的负担，使得无人机更加“来去自如”。而无人机的高速发展与科研人员的定向研究必将会使它们的成本变低，未来无人机将会步入普通家庭，成为民用的摄影、探索利器。