1 研究背景
随着电子技术与制造技术的发展和人工智能的飞速发展，四旋翼无人机智能水平的不断提高，其实际使用价值也越来越大，逐渐成为一种具有高机动性的多功能飞行载体，能够通过其自身搭载的传感器与信息处理模块，自主完成任务。四旋翼无人机具有体积小、行动灵活、成本低、可定点悬停以及可垂直起降等优点，适合在狭小封闭的地方执行具有一定危险性或者人类难以完成的任务。目前，四旋翼无人机广泛应用于气象观测、航拍、军事侦察等领域，具有广阔的市场前景和研究前景。在完成任务过程中，最关键的问题是四旋翼无人机导航和避障的实现，要求无人机自主规划符合指标的路线。
现在主流的无人机导航系统有惯性导航系统[1]、重力场互补滤波系统[2]、全球定位系统[3]、GPS/INS组合导航系统[4]。以上导航系统优点突出被广泛应用到各个领域中，在社会生产中发挥了重要作用，但以上导航系统均存在着目前无法克服的缺点，例如惯性导航系统存在着误差累积且变化速度非常快的缺点。以上系统最大的缺陷是大部分都依赖于GPS，当在室内GPS信号丢失时便无法完成导航。无人机避障技术发展比较迅速，目前衍生出的避障算法种类繁多，但是每类算法都有优缺点，因此如何选取避障算法与改进算法为研究重点。
目前无人机室内定位导航与避障的需求正在成指数型增长，因此对室内无人机导航与避障的研究是非常迫切且具有重大意义的。
2 国内外研究现状
目前室内无人机的导航与避障正在蓬勃发展，涌现出多种导航方式与避障算法的结合，无人机的现阶段的避障方法通常采用传感器感知得到周围环境和无人机姿态位置信息，通过特定算法对信息进行分析，然后及时反馈规划无人机避障路线，最终实现避障。
2.1 无人机导航的研究现状
无人机的导航实现是其能够正常工作的基本功能。姜成平[6]设计了扩展卡尔曼滤波器对无人机姿态进行最优估计，实时为飞行控制系统提供无人机的姿态信息，设计了无人机的姿态控制器和位置控制器。姿态估计作为导航避障中的一个重要环节，本系统中无人机姿态估计便采用的高性能的扩展卡尔曼滤波技术。王君[7]提出了基于PID控制器参数优化的容错控制器设计方法，可明显改善四旋翼无人机的飞行效果及对故障的处理能力。
在无人机室内导航研究领域，针对无人机在室内无法接受GPS信号造成定位困难的问题，国内外学者已经基于不同的传感器和控制技术开发出多种定位导航方法，如超声波测距技术[8]、激光雷达[9]、惯性测量元件与室内基站方法[10]等。除此以外，还有通过视觉传感器的导航方法，分为可以采用外部视觉的导航定位方式[11]和通过直接固定在无人机上的相机进行运动信息解算来实现无人机的导航方式[12]。通过阅读此类文献，使我对导航方式的选取有了更明确的标准。王飞[13]提出了一套四旋翼无人机控制、导航、定位和地图构建的完整解决方案。通过融合传感器的测量数据对自身的飞行速度和实时位置进行可靠估计，以完成自主飞行。
上海交通大学利用 VICON 系统建立了实时硬件在线仿真系统[14]，该系统专门用于四旋翼无人机的数学模型的建立和控制器验证。该平台的开发极大的简化了四旋翼无人机设计与控制器参数的调试，虽然最终仅完成了基于 PID 算法的四旋翼无人机的悬停实验，但是 VICON 系统的引入，无疑丰富了系统设计和调试方法。
