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2.6 非线性模型简化为线性模型 22
2.7 本章小结 23
3 四旋翼飞行器的PID控制算法分析 23
3.1 PID控制算法分析 23
3.1.1 控制理论基础 23
3.1.2 姿态控制 24
3.1.3 高度控制 25
3.2 飞行试验 25
3.2.1 实验操作 25
3.2.2 参数调节 27
结 论 29
致 谢 30
参考文献31
1 引言
1.1 研究背景与意义
近些年来，无人飞行器以其结构简单、体型小、并且能在空中自主飞行同时完成一定任务等特点，越来越得到人们的关注，并进行广泛的研究。在当今信息化发展的时代中，无人机无论在军事、民用还是科技领域中，都发挥着巨大作用。按照结构的不同，无人机可以分为固定翼无人机与旋翼无人机两种[1]，在过去几十年的研究中，固定翼无人机技术已经逐渐趋于成熟，但传统的固定翼飞行器技术已经无法满足当今新型社会所要完成的任务，因此四旋翼无人飞行器则演变为当今旋翼无人机中的热点研究项目。
四旋翼无人飞行器是一种能实现垂直起降的非共轴式多旋翼飞行器[2]，通过调节其四个旋翼的转速从而实现对其各种飞行姿态的控制。它不仅可以垂直起降，还可以实现空中悬停操作，对起降场地要求也很低，结构紧凑、通过四个旋翼的均匀提升力可以使飞行姿态更加稳定，这些特点都使四旋翼无人飞行器在军事侦查、星球探测与宇航拍摄等方面发挥了巨大优势，并且随着人们对工业与生活的要求增高，四旋翼飞行器不光在军事方面的应用广泛，在民用方面更具有广阔前景，例如灾后现场搜救、故障点检测、环境评估等。
由于四旋翼无人飞行器自己的结构特点，使得它在满足更高要求的同时，也比较容易受到干扰从而增加了对控制的难度，因此，通过搭建测试平台，可以更加完善对四旋翼无人飞行器的研发工作。
1.2 发展历史与研究现状
1.2.1 发展历史
从二十世纪初开始，人类就开始研发载人四旋翼飞行器。1907年，法国宝玑兄弟建造了Breguet-Richet Gyroplane No.l载人四旋翼飞行器，但此次飞行是由驾驶员控制油门来完成动力载人垂直飞行，在起飞时还需要工作人员来协助（图1-1），因此在稳定性控制方面表现的较差，也并未实现自主飞行。但同时使两旋翼顺时针旋转、另外两旋翼逆时针旋转的思想是该四旋翼飞行器的显著特点。
图1-1 Breguet-Richet于1907年研制的四旋翼飞行器
Fig.1-1 the quadrotor made by Breguet-Richet in 1907
1921年，美籍俄裔工程师DeBothezat秘密设计制造了一架迄今为止最庞大的四旋翼直升机,该飞行器采用对称结构,由四个管状架臂、四个主桨与两个辅助桨组成,辅助桨位于发动机上方,主要用于控制方向,与冷却发动机[3]。1922年十月，该飞行器进行第一次试飞，并在随后几个月内陆续试飞约100次，但由于机械结构过于复杂，并且花费了高额费用，最终美国军方放弃了该四旋翼飞行器的研发。虽然该飞行器在技术层面上有了很大的提升，但由于其稳定性较差最后无法实现向前飞行。
在1956年，出现了惊人的四旋翼飞行器设计，它就是由Convertawings公司设计的Convertawings Model A（图1-2），该飞行器的四个直达19英尺的旋翼串联安装在支架后，并通过两个引擎来驱动，利用四个旋翼分别产生的由旋转速度引起的升力来控制四旋翼飞行器。在多次飞行试验后，Convertawings飞行器在空中成功完成设计目标，并且飞行性能良好，但由于人们对此类飞行器缺乏兴趣，导致后期资金缺乏，从而停止生产。