摘要：随着现代数字技术与科技的飞速发展，无人机得到了人们的重视，并广泛普及。从电网巡检、农林植保、国土测量、资源保护到军事国防都有无人机的身影。无人机中目前研究较广的是四旋翼，四旋翼技术发展成熟，研究四旋翼对基础研究与扩展应用具有深远意义。四旋翼的系统模型主要为动力学系统模型，对动力系统模型进行数学建模可以从原理上了解四旋翼的工作原理。
关键词：四旋翼；PID；MATLAB
研究背景：随着现代数字技术与科技的飞速发展，无人机得到了人们的重视，并广泛普及。从电网巡检、农林植保、国土测量、资源保护到军事国防都有无人机的身影。电网巡检，中国水利发达，南北跨度大，东西部发展不平衡，造成我国电力资源分布不均衡。东部发达，用电量大；西部相对落后，且电力资源丰富。由于国土跨度大，电力资源需求居世界第一，输电线路复杂，电力传输系统据世界第一。为了保证电力系统的稳定传输，我国每年都需投入大量人力物力用于电网传输线、电力基站检查。传统的人力巡检费时费力，而且巡检人员需要经过专业的培训才能上岗。相比于传统的人力巡检，采用无人机巡检可以节省大量人力，防止危险发生，实现高效、安全、低成本的电力巡检。农林植保方面，我国是农业大国，是一个具有五千年深厚底蕴的农耕大国。粮食是人类生存最基本的保证，农业在我国有着不可替代的作用，是国家经济发展的基础。只有农业发展好了，工业与服务业才能牢固发展。目前，我国农业发展技术水平还处于世界中等水平，离欧美等发达国家还有很长一段距离。农业基础薄弱，现代化设备没有得到普及，还存在手工插秧、播种等情况。实现农业自动化、智能化，发展现代农业是国家农业的发展趋势。无人机用于农业可以用于喷射用药，监控作物的生长情况，可以减少人力的使用。军事国防领域，制空权一直是各国所关注的。传统的空中检测是需要驾驶员驾驶飞机在控制进行巡逻，容易发生危险，且浪费人力。无人机具有良好的飞行特性，轻便、机动性优越、智能化，可以代替飞行员执行巡逻、监控、探测敌情等任务。无人机用于军事领域，可以实现零伤亡，高技术，高指标，高水平的完成任务。
对无人机进行数学模型分析研究具有重要的意义，常见的无人机结构为十字形“+”。四旋翼的动力系统由四个高速旋转的无刷电机组成，四个电机启动带动桨叶高速旋转，利用气压差产生上升的力，来完成飞机的各种飞行动作。四个电机产生四个力，根据矢量合成，利用四个电机转速不同，从而完成四旋翼的旋转。研究四旋翼模型，可以将四旋翼应用在各行各业中。
发展现状：众所周知，美国的莱特兄弟1903年于发明了世界上第一台飞机，从此飞机产业在国外迅猛。国外无人机技术发展较早，1907年，法国的Breguet兄弟设计并制造了世界上第一家有人驾驶多旋翼飞机。该架飞机单纯的依靠人来进行操作，没有任何智能化设备，可以离开地面飞行，但是飞行时间很短。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆1922年，世界上第二架四旋翼飞行飞机被发明出来，它采用机械式的飞行操作系统，需要操作员随时对飞机进行控制，导致飞机操作过于复杂。1956年，Kpalan设计制造了一架飞行结构为“H”的四旋翼无人机，在其支架顶端安装了4个桨叶，桨叶直径为19英尺，由发动机提供动力。该架旋翼无人机被认为是现代四旋翼的雏形，但是受当时技术的限制，无人机发展缓慢。主要表现在当时半导体行业刚刚起步，控制芯片还无法做到集成化，控制技术、传感器技术还不成熟。随着半导体技术的发展，高性能、面积小的集成电路的普及，无人机重新回到人们的视野中，现在四旋翼在世界各国都广泛使用。国外各大研究机构、高校、公司如美国的麻省理工学院、卡内基梅隆大学、贝尔实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、3DRobicts、Parrot都在研究无人机。MATLABSumlink的出现更是为无人机的数学分析提供了强大的工具。
由于历史原因，国内无人机虽起步较晚，但国内无人机公司奋起直追发展迅速，在世界取得了不俗的成绩，在世界具有一定的影响力。国防科技大学时我国开展无人机最早的机构，2006年，国防科技大学自主研发了我国第一台飞行器，并根据无人机飞行器的数学模型进行了动力学建模。在同一年，哈尔滨工业大学也展开了对四旋翼的研究，更新了动力学模型，有线性发展到非线性。此后，南京航天航空大学设计了一种自动飞行的算法，并将之用于无人机取得了巨大成功。此外还有东北大学，天津大学等著名高校对无人机开展研究，都取得了非凡的成绩。国内的无人机代表当属大疆公司，大疆公司的无人机享誉海内外，目前已经是世界排名第一的无人机公司。当今国内的四旋翼技术已经排在世界前列了，目前国内外研究的中心为实现无人机的智能化，改进无人机的控制算法。而这一起的基础都离开无人机的数学模型，没有无人机的理论分析，任何控制算法都无法真正的被有效证实。研究无人机的数学并利用数学工具对其进行建模是研究无人机的基本工作，也是必不可少的一环。
总结
对四旋翼无人机的工作原理进行分析，确定其数学模型的构成。四旋翼无人机的控制核心是PID控制器，PID控制器是一种常用的简单高效的控制器，在无人机中应用广泛。此外，本章还分析了四旋翼无人机姿态角的相关原理，介绍了无人机坐标四元数，分析了四元数是任何描述无人机的状态的。
参考文献
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论文作者:熊子超,刘嘉雯,乐文强
论文发表刊物:《基层建设》2019年第29期
论文发表时间:2020/3/16
标签：无人机论文; 旋翼论文; 飞行器论文; 飞机论文; 桨叶论文; 模型论文; 动力学论文; 《基层建设》2019年第29期论文;