文献综述
近年来，随着小型传感器技术、计算机技术、 自动控制理论以及通信技术的发展，针对小型四旋翼无人机的研究逐渐成为无人机研究领域中的一个热点[1]。四旋翼无人机具有成本低、安全性强、质量轻、体积小、灵活机动等特点，因此其在军事和民用领域已得到广泛的应用[2]。四旋翼飞行器是一种具有对称机械结构的旋翼式飞行器，其直接动力源是对称安装于四旋翼飞行器4个角的电机。通过控制四个独立电机的转速，可以实现四旋翼飞行器的悬停、俯仰、横滚和偏航等飞行动作。稳定飞行控制的必要条件是获取无人机的实时运动状态信息，但是小型四旋翼无人机作为一种空中机器人，其体积小、载重轻、飞行控制设计复杂等特点在一定程度上限制了许多传统地面机器人运动状态信息获取方法的使用。现有研究成果中，全球定位系统(Global position system, GPS) 是一种普遍应用于小型四旋翼无人机的定位方法，它通过无人机机载GPS接收机接收卫星发射信号，以获得实时定位信息。然而，GPS信号受电磁干扰影响，在近地复杂环境、特别是室内环境中不可获取，因此该方法主要应用于室外开阔环境中四旋翼无人机的定位问题。激光雷达是一种较多应用于四旋翼无人机室内定位导航的传感器设备。激光雷达虽然具备测量精度高、抗干扰能力强等优势，但其相对小型四旋翼无人机负载而言传感器设备较重，并且测量距离受限，仅适用于室内环境。
视觉方法是一种较为适用于小型四旋翼无人机的定位方法。视觉传感器质量可小至约 0.01 kg, 极大地减轻了小型四旋翼无人机负载重量。由于目前的可用于微型四旋翼无人机搭载的图像处理和识别系统的运算能力较弱，通过无人机搭载光流传感器或摄像头经单片机进行图像运算以实现对运动目标的轨迹跟踪的方式效果不理想，存在较大的误差。Vicon运动捕捉系统具有高精度和强鲁棒性，利于更好地验证控制算法的有效性和效果，加快四旋翼飞行器系统的开发进度，降低算法调试、验证过程的风险性。
研究人员针对四旋翼飞行器的控制策略提出了许多有效可行的方案：PID算法、滑模算法、反步法、基于视觉反馈的方法等控制算法已经应用于四旋翼飞行器的飞行控制并取得了不错的效果。但是，控制算法的设计、调试和验证的过程繁琐、复杂，同时又有一定的危险性。许多学者针对这个问题设计了测试平台。Abdelhamid Tayebi等人利用装有球铰的测试平台测试姿态控制器[6]。文献[7]用一个安全支架固定四旋翼飞行器的位置，调试其姿态控制器。文献[8]设计了一个用于直升机调试的测试平台，允许直升机实现控制高度的测试，但是缺少位置传感器，并不能完成位置控制器的开发。文献[9]将一个装有电机和姿态传感器的测试平台用于对姿态数据进行预测。文献[10]采用了可实现姿态角与高度预测的四旋翼飞行器测试平台，但是飞行器安装于固定架上，并非在真实的飞行状态中测试。文献[5]传统的基于特征点匹配方法，需要人工特征标示，只适用于已知环境；搭载光流传感器的嵌入式系统，其精度不高，有较大误差；文献[3]视觉同步定位和建图方法(Simultaneous localization and mapping, SLAM), 不易于满足闭环控制系统实时性的要求。
根据控制器开发、调试的要求，文献[4]在基于Vicon运动捕捉系统的实验环境下，能够采集到在实际飞行状态下的飞行数据并进行控制器的调试，最终实现无人机对复杂轨迹的跟踪。整个控制系统主要由四旋翼飞行器、Vicon运动捕捉系统、地面站和无线通信模块组成。硬件在环仿真实验平台的总体结构如图 1所示。
图 1 实验平台结构
Vicon 运动捕捉系统实时获得四旋翼飞行器和运动目标的位置信息和飞行器的姿态信息，并传输至地面站程序。在地面站上接受到的信息通过Matlab和Simulink的运算得出控制参数，再传输至飞行器上的控制板，对飞行器进行实时控制。通过对飞行状态下的位置和姿态的分析，可以有效地分析控制器的控制效果，简化控制器的开发、调试过程。
采用 Vicon 运动捕捉系统采集四旋翼飞行器和运动目标的实时位置信息。[4]Vicon运动捕捉系统具有很高的精度和强鲁棒性，能够准确地捕捉到飞行器和运动目标的位置信息，减小误差，减少在控制器调试过程中花费的时间，提高实验效率，避免发生不必要的风险。在实验中也能获得良好的跟踪效果。Vicon系统由一组若干红外高速捕捉摄像头，数据处理服务器，标定架，上位机和标记球组成。标记球被安装在飞行器和跟踪目标上，摄像头通过捕捉标记球的位置来采集其位置信息，数据服务器将采集到的位置信息进行处理后传输给Tracker软件，由Vicon DataStream Software Development Kit（SDK）提供软件接口。标定架用来矫正摄像机和标定室内空间的原点。
表1. Vicon系统配置
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