四旋翼飞行器飞行控制专利申请现状及审查应用实例分析

欧鑫磊,谭晓波（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心,武汉 430070）

四旋翼飞行器飞行控制专利申请现状及审查应用实例分析

欧鑫磊,谭晓波
（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心,武汉 430070）

摘 要：本文综合了四旋翼飞行器的概念和特性，从飞行控制方面介绍了四旋翼飞行器的发展现状，详细叙述了四旋翼飞行器的发展技术路线，在此基础上，进一步分析了相关专利技术发展整体情况，并介绍了实际案例审查实践情况，最后对未来发展作了展望。

关键词：四旋翼；飞行控制；专利申请

1　前言

四旋翼飞行器是一种能够垂直起降（VTOL）、自主悬停、非共轴式多旋翼碟形飞行器，目前世界上存在的四旋翼飞行器基本上都属于微小型无人飞行器，又称为四旋翼无人机。

本文在分析四旋翼无人机控制系统的特点和要求的基础上，论述国内外现有飞行控制方法的应用现状，指出四旋翼飞行控制技术发展的现状和趋势。

2　四旋翼无人机飞行控制技术研究现状

四旋翼无人机的四个旋翼呈十字交叉结构，四个旋翼由四个电机控制，分别位于十字支架的四个顶端，通过改变每个电机的转速可以实现对飞行器垂直起降、悬停、俯仰（前后）、滚转（左右）、偏航（旋转）等姿态和运动状态的控制。

四旋翼无人机是一个非线性、强耦合、欠驱动、时变的被控对象，国外做出一定成果的高校和科研机构有很多，其中进行室外研究的高校及科研机构主要有Stanford University, Oakland University, Chiba University, University of Technology of Compiegne，Massachusetts Institute of Technology(MIT), University of Pennsylvania, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne(EPFL)等；国外的一些商业公司也加入了研究行列，如美国的Draganfly公司，德国的Microdron GhmH公司等。

国内的一些高校和科研机构对四旋翼无人机的研究进取得了相应的进展。如国防科技大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学，南京航空航天大学以及清华大学等。在国内，近几年商用无人机也发展的相当迅速，如大疆公司的Phantom系列、筋斗云系统，以及北方天途航空技术发展有限公司生产的M系列多旋翼飞行器[3]。

2.1 数学建模

关于四旋翼无人机的数学建模主要有两种方法：理论推导法和试验辨识法。理论推导法是通过对飞行器各部分的物理结构和受力分析，经过严格的理论计算得到线性或非线性数学模型；试验辨识法则是基于试验数据，利用系统辨识理论获得系统参数模型。目前主要是通过理论分析四旋翼无人机动力学特性，简化或增加四旋翼的约束条件，建立线性或非线性数学模型。

2.2 飞行控制方法

四旋翼无人机强耦合、非线性、欠驱动、干扰敏感的特性，使得飞行控制系统的设计变得非常困难。此外，控制系统的性能还受到模型准确性和传感器精度的影响。近年来，国内外学者对四旋翼无人机的控制策略进行了大量的研究，表1中列出四旋翼无人机几种典型的控制方法及其特点。

目前对于四旋翼无人机飞行控制的研究，大部分是针对姿态稳定控制。国内外相关人员都着重进行了姿态控制器的设计，但大都加入了许多约束条件，且大部分处于实验仿真阶段，实际工程实现的控制效果较好的四旋翼无人机并不多。

表1　四旋翼无人机典型控制方法及特点

3　四旋翼无人机飞行控制专利技术发展整体情况

3.1 专利申请量趋势分析

图1为四旋翼无人机飞行控制技术全球专利申请趋势图。由图1可见，检索到的四旋翼无人机的专利最早出现在1996年，申请号为：96117246.0，该申请公开了一种固定桨叶共轴双旋翼直升机，为一种遥控直升机，为四旋翼无人机的雏形；从2005年开始，申请量出现持续快速增长，其原因在于自2005年起，微系统、传感器以及控制理论等技术的发展，以往的技术瓶颈得以突破，四旋翼无人机又引起人们极大的兴趣，自2008年后，各大高校和科研院所也将研发精力纷纷投入到其中，导致申请量增长极为迅速，至今为止仍在持续增长。

3.2 专利申请产出国和申请人分布

通过对所检索到的专利文献产出国进行统计分析，如图2所示，排名靠前的国家依次为中国，美国，德国，法国，并且排名第一的中国的申请量远远高于其他国家，显示出极高的研发活跃度。

进一步地，对在华申请人进行统计分析发现，如图3所示，约85%的申请来自高校和研究所，而企业的申请量仅占约10%。中国企业申请人中具有代表性的企业是深圳大疆公司，该公司成立于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,到目前为止共申请专利80余件，其中发明专利占30余件。高校及研究所的申请人中，南京航空航天大学位居第一，相关申请量为85件，天津大学和哈尔滨工业大学的相关申请量分别为25件和18件，其他高校及研究所的申请量则相对较少。

3.3 主要技术分支

四旋翼无人机飞行控制技术主要有以下几个技术发展路线：1）通过改进四旋翼无人机自身的结构来改进飞行性能；2）通过改进飞行控制算法来改进飞行性能；3）通过研究不同的飞行控制方式来改进四旋翼无人机飞行性能。

图5示出了四旋翼无人机自身结构的改进、飞行控制算法的改进、飞行控制方式的改进以及其他技术类专利文献的占比情况，可以看出，飞行控制算法的改进和飞行控制方式的改进是两大主要研究方向，其中飞行控制算法技术发展方向上的专利文献的关注点在于将不同的控制算法或是将不同的控制算法进行融合后应用到四旋翼无人机控制系统中，使四旋翼无人机的控制性能更加优越。

飞行控制方式的改进主要是解决四旋翼无人机飞行控制问题，该技术发展方向上的专利文献的关注点在于如何解决四旋翼无人机自主飞行的问题。该技术发展路线如图6所示，基于视觉的位姿控制方法，主要是根据摄像头采集到的图像序列信息，利用计算机视觉技术进行分析。

由上述内容可知，四旋翼无人机从最初通过遥控装置控制其飞行姿态逐渐发展成通过视觉、手势以及体感等方式来进行控制，未来的发展趋势将会实现完全自主飞行的四旋翼无人机，技术人员只需要将飞行计划和飞行任务输入四旋翼无人机，无人机就可以根据飞行任务和计划自主进行飞行，同时能应付在飞行过程中出现的各种突发情况，最终实现四旋翼无人机的完全自主化，智能化。

4　审查实践应用示例

对四旋翼无人机专利技术的了解，可以帮助相关领域的人员快速准确理解技术，提高效率。下面以三件不同类型的申请人的实审案件为例来说明。

【案例1】

申请号：201210589626.1

发明名称：一种基于操控员头部动作操控移动平台的系统和方法

申请人：安科智慧城市技术（中国）有限公司

本申请的目的在于提供一种利用头部动作控制四旋翼飞行器的系统和方法，以提高四旋翼飞行器的飞行控制性能。

首先判断本申请属于无人机控制领域的申请，技术效果是解放操控人员的双手，提高操控员手部的活动能力。通过对四旋翼飞行器专利技术发展路线的梳理，可以很快定位有关基于视频操控四旋翼飞行器的关注最早出现在2007年，并且集中发展于2008－2014年这几年间，在此范围内进一步寻找，就能找到2008年的一篇对比文件（WO2008045144 A2）。该对比文件的技术方案也是通过视频捕捉头部动作控制四旋翼飞行器以解放操控人员的双手。通过对该对比文件的技术方案的进一步阅读和理解，审查员引用该对比文件评述本申请权利要求1的新颖性。

【案例2】

申请号：201210459227.3

发明名称：一种无人机的控制方法

申请人：中国兵器工业计算机应用技术研究所

本申请的目的在于针对传统的无人机飞行控制方法的缺陷，提供一种控制精度高、抗干扰能力强的无人机控制方法。

本申请属于无人机控制领域的申请，技术效果是无人机的控制算法效果更好，且无人机出现故障时可自动返航。通过对四旋翼飞行器专利技术发展路线的梳理，可以确定本申请的技术方案对现有技术作出改进的技术特征为无人机出现故障时可自动返航。针对该技术特征在专利库和非专利库进行相应的检索，得到对比文件1（“小型无人驾驶飞机飞行控制系统原理及设计”，薛安国，中国优秀硕士学位论文全文数据库，工程科技Ⅱ辑，C031-21）和对比文件2 （CN101807051A），利用对比文件1结合对比文件2可以评述本申请权利要求1的创造性。

【案例3】

申请号：201210471001.5

发明名称：多螺旋桨飞行器控制装置

申请人：南京理工大学

本申请的目的在于提供一种采用协处理器协调工作，加强系统可靠性的多螺旋桨飞行器控制装置。

本申请属于无人机控制领域的申请，通过对四旋翼飞行器专利技术发展路线的梳理，可以确定本申请的技术方案对现有技术作出改进的技术特征为该控制装置包括一个协处理器。针对该技术特征在专利库和非专利库进行相应的检索，得到对比文件1（“四旋翼飞行器控制系统构建及控制方法的研究”，程敏，中国优秀硕士学位论文全文数据库，工程科技Ⅱ辑，C031-58）和对比文件2 （CN2681997Y），利用对比文件1结合对比文件2可以评述本申请权利要求1的创造性。

5　总结与启示

四旋翼飞行器飞行控制技术是一项涉及多门交叉学科的技术。经过近十几年的快速发展，各大高校和企业都产生了极大的研究热情，并取得了一定的研究成果。四旋翼飞行器飞行控制技术目前处于技术发展的上升期。由于该技术的多样性和复杂性，在技术发展过程中会融入很多其他学科的技术知识，这就要求审查员在审查过程中不断加强自身的学习，努力达到本领域技术人员的高度，准确把握发明与现有技术的界限。

参考文献:

[1]中华人民共和国国家知识产权局.专利审查指南2010[M].北京；知识产权出版社,172-175.

[2]胡宇群.微型飞行器中的若干动力学问题研究[D].南京：南京航空航天大学,2002.

[3]李占科，宋笔锋，宋海龙.微型飞行器的研究现状及其关键技术[J].飞行力学,2003,21(04):1-4.

作者简介：欧鑫磊(1987-),男,硕士,研究方向：自动控制-专利审查。