写在前面：开设一个专题系列，针对宾夕法尼亚大学的机器人课程中的四旋翼部分，写一个读书笔记系列，涉及到四旋翼飞行器的力学原理、设计、控制、轨迹规划等，系统的总结相关的理论知识。限于笔者的水平有限，文中如有错误，望指正，谢谢！
本讲主要是阐述了四旋翼相关的基础知识以及行业背景。
目前主要应用于军事、民用和DIY领域。
2015年，在美国，每月销售量超过15000架；
预计到2020年，产业估值250亿美金；
能广泛应用于：农业、摄影、检测、建设施工、边境巡逻和电影制作等；
通常意义上来说，以上的几种名称，所指的是一个东西，常见的还是多旋翼系列。
什么是微型无人机？
如图所示，左边的那一列就是本课程主要研究的微型飞行器。
一般分为固定翼、扑翼和旋翼。固定翼不能空中悬停。
旋翼还分为直升机、共轴多旋翼、多旋翼（四、六、八等）。
机械结构简单，四个电机固定在一个刚体机架上。没有直升机的铰链设计，螺旋桨桨叶相对尺寸短又坚硬，这样在飞行器突然转向时，桨叶不会因为陀螺力矩而桨叶扑动。这样使得控制器的设计会简单很多（建模的时候，只考虑刚体的运动即可等）。
答案是通过电机转速的差值。一般相邻的电机转向是不一样的，图中1、3逆时针旋转，2、4顺时针旋转。
比如滚转或俯仰运动（左右、前后）
问题：
如何控制yaw运动？
答案是通过对角线的电机转速差值，比如控制飞行器顺时针旋转，则2、4电机减速，1、3电机加速，即逆时针旋转的电机转速加大。
如何完成平移运动？
平移运动与对应的姿态有关，比如飞行器要往右边飞行，会先产生一个滚转角度，控制飞行器往右加速，当快接近目标位置时，反向产生一个角度刹车，减速，控制飞行器平稳的停在目标位置。所以平移运动涉及到姿态角的变化（GPS定点模式飞行）。
问题：
四旋翼飞行器有6个自由度（3个平移，3个旋转），则有多少种不同的方式来平移或旋转机器人？其中有多少个是独立的？
这个问题，笔者不太明白意思，相对独立的运动，笔者认为只有上升下降和偏航运动。
实现自主飞行需要哪些关键部分？
状态估计：能够估计出飞行器的位置、速度、姿态信息；
控制：能够根据目标位置，用状态估计出的数据作为控制反馈，计算出期望动作的电机指令；
构图：能够绘制所在环境的地图，如果不知道环境是怎么样的，就不能进行下一步的轨迹规划；
轨迹规划：在已知外界环境的情况下，规划出一条安全轨迹，从而能够避开障碍物飞行；
状态估计
目的：获得真实的位置、速度、姿态信息。
手段（传感器）：
1.运动捕捉系统：
价格昂贵，精度高，实验室设备。
通过在飞行器上设置marker标记，然后通过运动捕捉相机去估计每个marker的位置，数据频率能够达到100-200Hz。
2.GPS
室外定位标配，数据相对不太精确，而且易受外界干扰，特别是高楼之间。室内情况无法使用。
为了能够适用于室内或室外，不能用GPS，飞行器又比较小，很难挂载一些大型设备进行通信等，又希望飞行器具有快速性和灵活性。那该选择什么样的设备？
如图所示，颜色加深度相机、激光测距仪等，这些传感器能够估计环境信息，并通过这些信息允许其定位自身位置。
SLAM实现原理
假设有个机器人，图中蓝色标记，同时假定环境中有三个柱子，橙色标记。假设测量中离三个柱子的距离d1 d2 d3。同时，机器人上还有惯性测量单元，估计出一个周期的运动变化，delta x，到达新位置后，传感器又反馈了新的距离数据。问题是，对于机器人是否可能同时估计柱子的位置（坐标x,y）与位移delta x。答案是可以。
这个问题就是即时定位与地图构建，简称SLAM。简单来说就是在尝试估计出自己的位置变化，同时描述柱子信息。
几种不同飞行器（不同的传感器组合）
上图的飞行器，在室内自主定位（只有相机和IMU），需要配合标记。通过不同的标记组合，能够设置一些飞行动作或是导航，相当于运动捕捉相机的乞丐版….
图中演示的是，飞行器相对于标记进行定位并悬停，它是估计出自身相对于标记的位置与速度从而达到目的。
行业应用
精细农业
比如图中所示，用飞行器对果园进行巡逻，获取每一颗植物和其果实的三维信息，中间的图用红外成像获得，右下方是用飞行器上的激光传感器和相机获得的三维信息。这些图能够告诉你基本的植物活力信息，让农民获得每一颗植物的生长模型，识别出哪一颗植物需要特别关注，决定给哪些植物浇水，什么时间浇，获得产量的估计。
建筑
获得建筑物的三维信息，监控工程进度，配置建筑资源。
简单来说，就是飞行器作为一个飞行平台，通过搭载不同的行业传感器就能广泛应用于各个行业中，从而提高生产效率。
联系客服
