多旋翼飞行器设计与控制 第六讲 多旋翼的运动模型和参数测量.pdf

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1、多旋翼飞行器设计与控制第六讲多旋翼的运动模型和参数测量全权副教授qq_buaa@buaa.edu.cn自动化科学与电气工程学院北京航空航天大学2016年4月14日北航主南401前言东方智慧：中国古人很早就认识事物发展必定遵循一定规律，即模型。在《素问·阴阳应象大论》中，“黄帝曰：阴阳者，天地之道也，万物之纲纪，变化之父母，生杀之本始，神明之府也，治病必求于本。”古人认为阴阳是天地循环的道理、是万物生死的规律、是产生各种变化的根本,是生死的源头。更具体地，太极图是古人概括阴阳易理和认识世界的宇宙模型。在《孙子

2、兵法》中，“孙子曰：声不过五，五声之变，不可胜听也；色不过五，五色之变，不可胜观也；味不过五，五味之变，不可胜尝也；战势不过奇正，奇正之变，不可胜穷也。奇正相生，如循环之无端，孰能穷之哉！”告诉我们需要掌握事物本质规律，才可灵活变通。图：八卦图2016/4/142前言多旋翼的运动模型如何构成以及参数如何确定？2016/4/143大纲1.多旋翼控制模型2.多旋翼气动阻力模型3.多旋翼模型参数测量4.小结5.作业6.后续部分7.资源2016/4/1441.多旋翼控制模型多旋翼飞行控制刚体模型（1）假设和符号定

3、义假设1.飞行器是刚体；假设2.质量和转动惯量是不变的；假设3.飞行器重心与中心一致；假设4.飞行器只受重力和螺旋桨升力，其中螺旋桨拉力沿z向下b节选自https://www.youtube.com/watch?v=w2itwFJCgFQ方向，而重力沿z方向；e假设5.奇数标号的螺旋桨逆时针转动，偶数标号顺时针转动。2016/4/1461.多旋翼控制模型控制分配模型VolocopterVC200–VideoforNASAOn-DemandMobility(ODM)Workshop,WashingtonD.

4、C.,March2016https://www.youtube.com/watch?v=YkiyiSdZzXk&nohtml5=False2016/4/14181.多旋翼控制模型动力系统模型UU=mbMotor-PropellerU2bcTBatteryU1ThrustmssESCssCRbTs1ss2mcMThrottleMoments图动力系统信号传递图1模型()CRbTs1m其中电机油门为输入，电机转速为输出，电机的动态响应常数。2016/4/1420大纲

5、1.多旋翼控制模型2.多旋翼气动阻力模型3.多旋翼模型参数测量4.小结5.作业6.后续部分7.资源2016/4/14212.多旋翼气动阻力模型桨叶挥舞螺旋桨攻角旋转攻角向上挥舞速度无风时螺旋桨螺旋桨相对风风的方向速度的速度(a)螺旋桨剖面图(b)无风时螺旋桨速度与攻角(c)相对风螺旋桨速度与攻角图.螺旋桨速度与攻角变化关系桨叶挥舞是桨叶的上下运动。如上图（a）所示，前行桨叶逆风前进，因此获得更大的相对速度。这时作用在螺旋桨的拉力增加，产生向上挥舞速度。如上图（c），螺旋桨的向上挥舞速度会减少攻角，进而减少

6、拉力。可参考[1]Bladeflapping:http://www.dynamicflight.com/aerodynamics/flapping/2016/4/14222.多旋翼气动阻力模型如左图（a）所示，多旋翼向右桨叶挥舞多旋翼飞行方向飞行，螺旋桨逆时针旋转。在A点处产生最大的相对速度。然挥舞速度最小C(相对风速最小)滞后2挥舞偏移而，螺旋桨最大的上偏位置出上偏最大挥舞偏B位置现在B点，其中A点比B点滞后挥舞偏移DB移上偏A下偏最大π/2。这个道理如同正弦曲线最大位C位置置D运动规律一般（如图（b

7、））。A挥舞速度最大因此，如图（c）所示，螺旋桨挥舞速度最大(相对风速最大)(相对风速最大)桨盘下方是前行螺旋桨(a)螺旋桨挥舞速度和偏移关系(b)正弦曲线对应关系（Advancingblade）区，上CC方是后撤螺旋桨（Retreating后撤桨滞后2D叶区域BD桨叶桨叶Bblade）区。因为位置滞后速下偏上偏前行桨度，因此，前面半区是螺旋桨叶区域上偏区，而后面半区是螺旋桨AA(c)桨叶偏转原理下偏区。图螺旋桨挥舞速度与偏移位置示意图2016/4/14232.多旋翼气动阻力模型桨叶挥舞由于螺旋桨的挥舞

8、，改变了桨飞行方向盘的方向，从而进一步改变了拉力升力拉力的方向。从左图可以看出，阻力拉力升力拉力不再与多旋翼的机体轴平行，而是在x负方向上产生bx阻力挥舞偏bB移上偏分量，即诱导阻力。该阻力是D最大位zb置多旋翼阻力的主要组成部分，挥舞偏移下偏最大位置挥舞力矩不容忽视。多旋翼气动阻力模图多旋翼飞行时的升力阻力示意图型将以此为依据。2016/4/14242.多旋翼气动阻力模型桨叶挥舞Slowmotionvideo