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四旋翼飞行器发展历史
四旋翼飞行器在诞生之初，由于传感器、微处理器等的发展还不是特别成熟，其发展受到了许多局限，也迟迟不能进入实用阶段。
世界上第一架四旋翼飞行器Gyroplane No.1（如图1.2.1所示）在1907年成功升空，它是由法国Breguet兄弟制造的多旋翼飞行器，但飞行稳定性非常差。
1922年，George de Bothezat制作了“飞天章鱼”（如图1.2.2所示），设计者Bothezat直接着手做原始尺寸的飞行器，该飞行器身长、宽都为65英尺（ft，1ft≈0.3048m），高为10英尺，机重3600磅（lb，1lb≈0.454kg），使用了180HP（1HP≈745W）的发动机，虽然只能成功飞行6英尺，并且只能飞行1min，但这无疑是一个巨大的进步。
旋翼飞行器在20世纪50年代被应用于陆军机构，开始试验各种垂直起飞降落的方案，Curtiss-Wright VZ-7（如图1.2.3所示）使用了杠杆燃气涡轮机来提高性能，但同时也增加了飞机重量，1950—1960年期间实现了相对稳定的飞行，但由于它没有达到要求的高度和速度，所以测试试验没有进一步施行。
在美国20世纪90年代早期，工程师Mike Dammar自己开发了电池给飞行器供电，在其加入Spectrolutions公司工作之后将该飞行器命名为Draganflyer（如图1.2.4所示），后来加拿大分销商进行了销售。2006年又安装了稳定的航拍视频系统，称为“天眼”。
几十年来，随着微控制器技术的巨大突破，以及新型材料、微机电系统（MEMS）、微惯导（MIMU）以及飞行控制等技术的进步，四旋翼飞行器又逐渐走入人们的视野。四旋翼飞行器在布局上属于非共轴式的蝶形，四只旋翼产生相互抵消的反扭力矩，具有结构简单、稳定性高、易于控制、成本相对较低，能实现垂直起降（VTOL）等特点。与之类似，还有如六旋翼、八旋翼飞行器等。
VC200是德国E-vovo公司研发的一款多旋翼飞行器（如图1.2.5所示），主题机身采用碳纤维复合型材料，拥有18个电机、旋翼，采用6组电池（每组为3台发动机供电），能维持约20min的飞行。
四旋翼飞行器在军事领域、自然和民用等领域具有广阔的应用前景，如灾害搜救、军事打击、地形勘探、广告航拍、航模玩具等。目前，亚马逊、Google、DHL等公司都在研发无人机快递业务服务，其中亚马逊无人送货机如图1.2.6所示。其飞行器也是运用了多旋翼飞行器，相信不久的将来，将不用快递员进行送货，这将大大减少人力投资，并在很大程度上改善人们的生活。
四旋翼飞行器的应用还进入了餐饮行业，餐厅用飞行器为用户送上热腾腾的餐食。英国达美乐分公司通过跟创意公司合作开发了一架名为“达美乐直升机”的送餐飞行器。它能在10min之内将食物送到4英里（1英里≈1.61km）之外，极大地提高了送餐效率。同样地，一家名为“Yo! Sushi寿司”的餐馆也提出了用飞行器进行送餐的全新方式——服务员通过控制iPad来操控四旋翼飞行器，将承载食物的餐盘送到顾客的餐桌上（如图1.2.7所示）。
因此，由于四旋翼飞行器所具备的以上特点及其广阔的应用前景，人们对研究四旋翼飞行器的热情被重新点燃了。
国外研究现状
自2002年开始，宾夕法尼亚大学（UPenn）提出了基于视觉反馈的直升机控制系统。研究人员通过使用HMX-4这一商业模型开发了自己的四旋翼飞行器（如下图1.2.8所示）。
其飞行器控制系统是通过系统中微控制器和远程遥控来实现的，远程PC首先对传感器传输的数据进行分析处理，然后回送控制信息。其四轴控制系统中携带3种传感器模块，用于实现闭环的增稳控制。同时整套系统中，地面安放了用于主监控的摄像机，并在飞行器底部设计了彩色符号来为摄像机定位，利用这些符号计算出飞行器的相对位移，地面PC即可算出四旋翼飞行器的空间旋转角度和水平位移。这一团队的研究成果也多次出现在TED演讲、优酷视频等中，自主悬停时使用基于模型的线性反馈控制，而在穿越障碍、自主飞行时与视觉反馈控制相结合，其研究重点已经向多机协作和自主飞行倾斜。
Mesicopter（如下图1.2.9所示）是斯坦福大学（Stanford）的研究小组在NASA支持下，为研究微型旋翼飞行器技术而设计的试验装置。
机身为16mm×16mm的方形框架；旋翼直径为1.5cm，厚度为0.08mm；电机直径为3mm，质量为325mg。Mesicopter飞行器研究组设计了应用于自主飞行器控制研究（STARMAC）的测试平台，其控制系统包含：惯性测量单元（IMU）、微控制器、超声波测距传感器、GPS定位导航单元以及蓝牙通信模块，主要实现了姿态估测和数据通信；在控制端则设计了PC和遥控器操作装置。惯性测量单元从传感器中获得姿态数据后估测出当前飞行器的高度及其运动速度，然后输出这两组数据，由于飞行器在升力变化时会产生较大震动，因此两组数据混有较大的噪声，导致估测准确性降低；同时超声波传感器的数据也不可靠，所以需要卡尔曼滤波器首先去噪，再进行高度估测。系统中还加入了红外传感器来协助完成飞行器的距离测量任务。系统中还设计了另一个卡尔曼滤波器用来将计算出的GPS数据、速度数据以及高度信息融合在一起，计算出飞行器的位置和速度信息。
瑞士洛桑联邦理工学院于2003年开始研发了OS4微型四旋翼飞行器（如下图1.2.10所示），试验了各种不同的控制算法，对于最优控制理论、飞行器自主飞行和避障等做了比较深入的研究。OS4是EPFL自动化系统实验室开发的一种电动小型四旋翼飞行器，其研究的重点是机构设计方法和自主飞行控制算法，目标是要实现室内和室外环境中的完全自主飞行。
目前，该项目已经进行了两个阶段。
OS4Ⅰ最大长度约73cm，质量为235g；它使用了Draganflyer的旋翼和十字框架，4个Faulhaber 1724电机，以及一个Xsense的MT9-B微惯性测量单元。至2004年，OS4Ⅰ已经分别基于多种控制算法（如PID、LQ、Backstepping、Sliding-mode），实现了飞行器姿态控制。
OS4 Ⅱ的机身最大长度为72cm，重为520g；机载230g的锂电池，提供自主飞行30min的能量。它与OS4Ⅰ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。
此外麻省理工学院的Robust Robtics和佐治亚理工大学的GTMARS等研究组也都对四旋翼飞行器的建模、飞行、视觉控制、周围环境监测等做了很多研究工作。
在商业领域，法国巴黎的Parrot公司在2010年的国际消费类电子产品展览会（Consumer Electronics Show）上展示了一款名为AR.Drone的双摄像头航模玩具（如下图1.2.11所示），以其创新的玩法获得了2010年国际消费电子展电子游戏硬件创新奖。AR. Drone类似于一款无人驾驶直升机，拥有4个独立螺旋桨，用户可以使用iPhone、iPod Touch对其进行飞行控制操作，能够实现自动悬浮定位、自动导航驾驶、手机无线遥控、高清实时航拍等有趣而复杂的功能。
拉脱维亚直升宇航工业公司（Helico Aerospace Industies）所设计的AirDog飞行器（如下图1.2.12所示）是一款专为极限运动所打造的跟拍器。AirDog是一款专有航拍器，支持索尼以及GoPro摄像机，折叠起来小到可以放进背包，其最独特的地方是可实现全自动。AirDog还配置了一个名为AirLeash的腕带控制器，用户只须将其绑在手臂上就能操作控制AirDog的起飞和降落，在行动过程中，AirDog还利用了回转仪稳定技术确保被拍摄物体始终能在拍摄画面里。该设备可以预先设定飞行模式，这样就能确保在不同的体育运动中拍摄到最佳效果的影片，这些体育运动包括极限脚踏越野车（BMX）、极限滑雪、冲浪、越野摩托车、水上滑板等，可以通过手机APP进行设定。
四旋翼飞行器在其他领域的潜力也不断被挖掘出来。苏黎世联邦理工学院（ETH）的法比奥格•拉马里奥与马提亚斯•科赫勒教授运用数控加工技术控制的四旋翼飞行器操控传统的砖块堆砌起一座高6m、直径3.5m的1:100的名为“垂直村落”的建筑模型（如下图1.2.13所示），模型本身的建造方法也正是类比着设计中垂直向上“生长”的高层“村落”。整个过程完全由多架四旋翼飞行器独立完成，使用了超过1500块聚苯乙烯泡沫制作的砖块，几架四轴直升机像蜜蜂一样回旋飞舞，抓起一块块砖头，精准定位后将砖头一块块放下，层层叠叠地砌出一个曲线形状的大尺度构筑物。
四旋翼飞行器的主要优点如下。
①拥有简单的机械结构，没有传统直升机复杂的旋翼控制机构。
②拥有稳定的飞行姿态。飞行器控制系统通过传感器采集飞行姿态数据，实时监测和控制飞行姿态，可以实现飞行器保持平稳的飞行。与传统单旋翼直升飞机相比，四旋翼飞行器的飞行更为稳定。
③容易将体积做得很小，可以实现自主飞行器的小型化和微型化。微型四轴器调试相对容易简单，而制作完成之后，执行任务的地点也更加多样化。
④飞行器拥有4个电机，具有更大的载重力。
此外，四旋翼飞行器还具有成本低、噪声小的优点，比单翼直升机或者其他垂直起降机其更易于维护。因此，旋翼无人机广泛应用于民用和军事领域，如救援、侦察、勘探等方面。
国内研究现状
国内对于四旋翼飞行器的研究起步较晚，但是发展迅速，最早的研究开始于2000年左右。
2001年，上海大学通过利用已有的相关技术，初步研究和设计四旋翼飞行器飞行控制，并实现飞行试验。重点对整个飞行器做了样机设计，包括控制算法设计、控制系统软件设计和硬件设计。为实现自主控制奠定了基础。
国防科技大学在2004年开始研究微型四旋翼飞行器，做了一系列的建模和实践，并在2006年完成了对四旋翼飞行器的原型样机的设计，根据Quad-Rotor飞行原理和牛顿—欧拉方程建立了四旋翼飞行器的动力学模型，设计了基于模糊滑模控制理论的姿态控制算法，并且通过试验仿真验证了四旋翼飞行器姿态控制算法的有效性，实现了基于Quad-Rotor的姿态增稳控制。
随后，哈尔滨工业大学建立了四旋翼飞行器的动力学模型和运动学模型，并针对四旋翼飞行器系统的线性模型的不确定性，基于回路成形法设计实现了鲁棒控制器，并基于四旋翼飞行器的非线性模型进行了仿真分析和研究，取得了比较好的控制效果。
此外，南京航空航天大学、西北工业大学等高校也相继进行了较多的试验和探索，广东的模型厂商也推出了多款小型四旋翼飞行器。但四旋翼飞行器要走向成熟和实用，还面临着诸多关键技术的挑战。
除了各大高校的研究攻关，多旋翼飞行器各方面技术的进步和成熟也离不开诸多消费级无人机公司的推动，而以大疆创新科技有限公司为首的各个创业公司则成为了行业的引领者。
深圳市大疆创新科技有限公司（DJI）成立于2006年，是全球领先的无人飞行器控制系统及无人机解决方案的研发和生产商，客户遍布全球100多个国家。大疆公司致力于通过持续的创新为无人机工业、行业用户以及专业航拍应用提供性能最强、体验最佳的革命性智能飞行控制产品和解决方案。
2013年1月，大疆公司发布“精灵”（如下图1.2.14所示），这一产品一举撬动了非专业无人机市场，使得大疆公司在市场上站稳脚跟，为大疆公司成为这一行业引领者打下了坚实的基础。
现在大疆公司已经形成了完整的产品线，除“精灵”系列外，大疆还将2014年11月面世的InSPIre（悟）（如下图1.2.15所示）系列定位为“一体化空中影像系统”，此系列的目标群体是高端电影、视频创作者；筋斗云系列飞行平台是为资深航拍爱好者开发的一系列专业级载机，具有便携易用、安全稳定等特点，主要应用于专业航拍领域；MG-1S农业植保机集成大疆最新技术，可实现作业规划、飞行实时管理和工作统计，不仅是一款高性能无人机，还为消费者提供了一整套智能便捷的农业植保解决方案；Mavic主打小体积、远距离图传和长时间续航，巧妙的折叠设计让消费者能轻装上阵，尽情享受飞行与拍摄的乐趣。
PowerEgg无人机（如下图1.2.16和下图1.2.17所示）是臻迪推出的首款消费级无人机，此项目于2014年6月立项，2016年8月进行京东众筹，受到广泛关注，并在短时间内众筹成功。通过这款融合了科技与艺术的飞行机器人，臻迪希望能让更多的人体验到航拍飞行的乐趣，所以PowerEgg通过技术创新和设计创新，主打易用性、便携性及安全性等诸多功能，希望帮助用户解决痛点。这款无人机最大的特点就是外形被设计成了蛋形，机臂可以完全折叠，一体化的造型十分方便用户携带；而从操控上，臻迪希望除了专业的航拍手、摄影爱好者和一些航模爱好者之外，能有更多对无人机感兴趣的小白用户也可以享受到飞行的乐趣。因此，PowerEgg除了标准版的遥控器之外，还特别推出了体感遥控器，通过体感遥控器可以实现一键悬停、一键拍照、一键跟踪环绕等功能，简单易上手，甚至连小孩也能操作。
2016年4月27日，ZeroRobotics公司正式发布Hover Camera（如下图1.2.18和下图1.2.19所示），这是全球首部真正意义上的安全、易用、便携式跟拍无人机，这款无人机的质量只有238g，却拥有1300万像素摄像头，可以拍摄4K视频，同时还可以提供720像素高清实时数据流，这些数据流可以通过WiFi传到智能手机。这款无人机的特别之处在于其可以悬停在空中完成这些任务，用户可以通过智能手机指挥其行动。Hover Camera也支持悬停旋转全景拍摄。它采用碳纤维外壳以及创新性的可折叠式设计，大大增强了产品的安全性和便携性。无须费力学习或组装，只要展开机翼并开机，Hover Camera便会从用户的指尖稳稳起飞，以独特视角拍摄视频或照片。这款产品主打便携，折叠后的收纳尺寸为18cm×13cm，同时具备体感操控、自动跟随、指尖放飞和空中摘取等功能。
除了这些明星产品，近10年来，国内同样涌现出了一批拥有自己核心技术的无人机公司，如亿航、零度、极飞和易瓦特等。
2007年成立的极飞是我国最早开始研发多旋翼无人机的公司之一，如今也是着重农业领域的无人机公司之一。该公司研制的“农飞P20植保无人机系统（XPlanet）”（如下图1.2.20所示）帮助新疆棉农喷洒农药，将无人机真正应用到实处。同时，极飞无人机还与物流公司友好合作，举办了轰动一时的淘宝无人机送货服务。
虽然零度智控公司成立于2007年，但是2011年才开始研制多旋翼无人机，2015年设计消费级无人机。第一款消费级无人机产品——Xplorer标准版（如下图1.2.21所示）售价仅2499元，让拥有炫酷的四旋翼飞行器不再是梦想，因此也被称为“价格屠夫”。该公司无人机主要应用于航拍领域，在《智取威虎山》和《天河》等电影中均有应用，如今已经占据1/3的航拍市场。
亿航科技于2014年在广州成立，可以说是无人机行业的新生力量，其实力不容小觑。旗下第一款无人机Ghost（如图1.2.22所示）仅需要一款手机APP就可轻松实现起飞、返航、下降等一系列操作。该无人机以80万美元的成绩创下了中国海外众筹项目的新纪录。如今有报道称一家名为Lung Biotechnology的生物科学公司计划与亿航科技合作，利用无人机运送移植器官，虽然有些不可思议，但是也肯定了亿航无人机的发展与努力。
