1. 研究目的与意义及国内外研究现状

无人机是一种依靠控制台或是设定的目的进行人为控制或是自动飞行的无人驾驶飞行器。无人机起先出现是在1920年左右，那时候无人机的作用主要是用作军方射击使用的靶子。到了20世纪中期，军队首次将第二次世界大战后而无法使用或是几乎报废的飞机改装成为用于特殊任务或研究的机体或是靶机，并越来越受到科学研究的关注。随着科学技术以及电子科技的发展，无人机渐渐在任务中担任侦查这一任务，并因为其简单的构造、及其小型的体积以及突出的性能受到一致的好评。到了20世纪中期，无人机已经开始被军队关注并经常性地被运用于军方的探查任务或是情报获取中去。到了20世纪晚期，无人机的尺寸已经变得非常小，仅仅比普通的玩具飞机大一些。而世界各国在无人机上的关注也越来越多，并投入大量的资金以及专业科学人员到无人机研究中来。美国军方对这类无人飞行器表示非常青睐，因为无人机的造价并不昂贵，以及它们突出的性能和不需要人来驾驶的安全性，使无人机不仅在侦查中，更加在战斗和救援中大展拳脚。到如今，世界上的许多国家都已经充分认识到了无人机将会在生产和交流中发挥强大的效果，都开始把最新研制的各种设备以及与之相关的各个产业的发展用到无人机的研究上去。新型工业的发展带动的材料学的进步使无人机的质量越来越轻，使无人机更加小巧，同时也增强了它的续航时间；使用最新的信号处理技术和通信研究成果，让无人机在信号的接受和传递中更加快捷稳定；先进的自动控制技术是无人机脱离了人的控制，即使在没有人为控制的情况下也可以按照预先设定好的程序完成目标，进行自身姿态、高度以及位置的调整。从最初出现到现在的发展，无人机早已成为是一门比较成熟先进的技术了。现在的无人机有极高的机动性、极强的隐蔽性，无论在什么环境下都可以安全平稳地运行，远程的操控同时也减少了人员的伤亡，无论在军事上还是在人们的日常生活中都有着非常重要的意义。

无人机从机翼的区别上可以分为三种：多旋翼式、固定翼式、扑翼式。在这三种无人机中，固定翼式无人机具有消耗少、持续时间久、飞行距离远、运动速度快、机体安全性高、整体技术要求简单等特点，但是虽然具备这些优点，它也具有需要场地来进行飞机的起飞和降落、无法再空中悬停、飞行速度偏快导致无法进行定点的详细的对象拍摄等缺点。扑翼式无人机采用像鸟类一样的飞行方式，通过在机身两侧的机翼进行极其高速度的拍击产生升力以达到悬停和飞行的功能。多旋翼无人机没有以上两种无人机的缺点，可以在空中悬浮以及垂直起降是多旋翼无人机最大优点和特点。凭借着这样的特性，多旋翼无人机可以在极其狭小的环境中起飞降落，同时也可以适应不同的复杂环境，所以在各种环境中多旋翼无人机都可以完美执行任务。多旋翼无人机通过各方面的优势，被全世界各个国家看中并成为科学研究的一个重要方向。

四旋翼无人机是多旋翼无人机中的一种，它由四个无刷电机构成成，这四个无刷电机对称地分别分布在其呈十字型的机体骨架末端。四旋翼无人机最大的优点就是可以通过控制每个电机的转速来控制旋翼的速度已达到改变机体的速度和姿态的目的，这样就可以在成普通飞行器所不能工作的环境中工作。飞行控制系统就是通过控制电机的转速来控制无人机，并同时让无人机在空中运动时可以平稳工作。四旋翼无人机没有机翼，不需要通过机翼来提高飞行稳定性，所以重量和大小就是无人机所需要克服的困难之一，控制系统也应该在实现控制的效果、保证无人机的稳定的同时尽可能做到更小更轻，这对于无人机飞行能力的提升有不小的帮助。所以无人机的设计要尽量朝着小型的方向发展，这也促使着飞行控制系统需要设计得小巧紧凑。

国内外研究现状

无人机首先是在美国兴起的。在1921年，美国空军与一家飞行设备研究公司签订合同，一同开发研究能够垂直起降的无人机，经过一年的研究，一架重达1678kg的带有四个螺旋桨的飞机被生产出来了。该无人机呈十字型，虽然这架无人机在试验时只能够飞行5m的高度，但是它却对四旋翼无人机课题的可能性与潜力做出了一个很好的回答。

紧接着，美国的其他高校也陆陆续续开始了对无人机的研究。其中，最先对无人机研究的是美国的麻省理工大学，主要研究的方向是基于可视设备协同其它机械或者车辆进行追踪。此外，瑞士洛桑联邦科技学院研究的是飞行控制算法以及结构，其研究的内容包括了自主悬停控制，这也是无人机最大的课题。下图为其研究的多机协同飞行课题实验。

斯坦福大学也研究出一种微型飞行器，虽然结构和常见的四旋翼无人机很像，但是它的设计理念和结构数据却和普通的无人机大相径庭。它采用了分块的结构来进行加速计和陀螺仪的设计，方便安装以及维修，并且抗干扰能力得到了很大的提升。

德国的四旋翼无人机在世界上长期处在最先进的行列中，其研发的MikroKopter甚至可以在空中进行180度的旋转。

我国开始研究无人机相比于世界上其他发达国家就比较晚了，在国内比较有名的是大疆创新科技有限公司。其研究的无人机在2016年春节联欢晚会上进行了大规模协同表演。其对无人机的研究放眼全世界都是比较先进的，领先国内大部分无人机研究公司。除此之外，国内的许多高等学府也开始关注无人机这个课题，并在其中投入相当的人力和资源。

国内最早的无人机是由哈尔冰工业大学设计研究开发的。这架无人机在2009年成功试飞，并实现空中悬停的功能，开创了国内四旋翼无人机的先河。

国内相对较早开始无人机研究的高校中，技术比较先进的还有南京航空航天大学。其自主研究制造的无人机在抗扰乱方面有非常强的能力，而且其研发的无人机具备着旋翼无人机所特有的悬停功能。

2. 研究的基本内容

1.需求分析：由于四旋翼无人机广泛应用于军事和民间，例如空中监测、空中监视、空中转信、空中喊话、紧急救援等，并且能够在自然灾害、事故灾难等复杂的环境中发挥重要的作用，本身具有很强的生存能力和机动性能，使用起来非常方便。因此，在保证完整功能和性能前提下，使所设计飞行控制系统具有小、轻、功耗低的特点，是设计多旋翼无人机飞行控制系统一大挑战，但同时这也具有很大的市场前景。

2.技术分析：根据模块化的设计思想，该飞行控制系统硬件电路设计，主要包括中心处理芯片的选型，最小工作电路设计，jtag下载调试电路设计以及中心控制模块、传感器模块、pwm信号模块、gps通行模块、电源转换模块的设计。下面分别介绍各模块的设计。

3.设计方案：根据本设计对飞行控制系统的总体设计要求，对主控制模块的硬件电路进行设计。本设计采用模块化的设计理念，提高整个飞行控制系统的集成度，降低整个系统的功耗，使无人机更加的灵活机动。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

一、实行方案：

1.安装并调试所需软件，并确保可以正常运行。

2.根据系统所需选择合适的器件，了解各个模块的功能并联系系统的期望设计模块的连线方式。

4. 参考文献

[1]程广明.四旋翼直升机的建模与飞行控制研究.哈尔滨:哈尔滨理工大学，2011.

[2]单海燕.四旋翼无人直升机飞行控制技术研究.南京:南京航空航天大学，2009.

[3]吴剑.碟形无人直升机总体设计技术研究.南京:南京航空航天大学，2004.