四旋翼无人机建模及其PID控制律设计_吴成富

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1、第20卷第16期电子设计工程2012年8月Vol.20No.16ElectronicDesignEngineeringAug.2012四旋翼无人机建模及其PID控制律设计112吴成富，刘小齐，袁旭（1.西北工业大学无人机特种技术重点实验室，陕西西安710065；2.榆林供电局清涧分公司陕西榆林719000）摘要：文中对四旋翼无人机进行建模与控制。在建模时采用机理建模和实验测试相结合的方法，尤其是对电机和螺旋桨进行了详细的建模。首先对所建的模型应用PID进行了姿态角的控制。在此基础上又对各个方向上的速度进行

2、了PID控制。然后在四旋翼飞机重心进行偏移的情况下进行PID控制，仿真结果表明PID控制律能有效的控制四旋翼无人机在重心偏移情况下的姿态角和速度。最后为了方便控制加入了控制逻辑关键词：四旋翼；建模；PID；控制；重心偏移；控制逻辑中图分类号：TP302文献标识码：A文章编号：1674－6236（2012）16-0068-03ModelingandPIDcontrolforaquadrotorWUCheng-fu1，LIUXiao-qi1，YUANXu2（1.NationalKeyLaboratoryofS

3、pecialTechnologyonUAV，NWPU，Xi’an710065，China；2.YulinPowerSupplyBureauQingjianBranch，Yulin719000，China）Abstract:ThemodelingandcontrolforaquadrotorUAVarepresentedinthispaper.ThetheoreticandexperimentalmethodsareusedtomodeltheUAV，andthemodelsforthemotorsandt

4、herotorsofthevehiclearedescribedindetail.PIDcontrollawisappliedtothevehicle’smodelforattitudecontrol.，basedonwhich，velocityin3dimensionsisalsocontrolledbyPIDcontroller.Thenthecontrollawisverifiedincaseofgravitycenterexcursion，simulationresultsshowthatPIDc

5、ontrollawcaneffectivelycontrolfourrotoruavinthiscase，Finallyinordertofacilitatethecontroljoinedthecontrollogic.Keywords:quadrotor；modeling；PID；control；barycenteroffset；controllogic四旋翼无人机是一种具有4个旋翼的飞行器，有X型分计，仿真结果表明这种控制方法是一种有效的方法。尤其是布和十字型分布2种。文中采用的是X型分布的四旋翼，

6、四对飞机的飞行速度较大的情况，其能稳定地控制四旋翼达到旋翼无人机只能通过改变旋翼的转速来实现各种运动。国外预期的效果。对四旋翼无人直升机的研究非常活跃。加拿大雷克海德大学1四旋翼的模型的Tayebi和McGilvray证明了使用四旋翼设计可以实现稳定的飞行[1]。澳大利亚卧龙岗大学的McKerrow对Dragantlyer进文中所研究的四旋翼结构属于X型分布，即螺旋桨M1行了精确的建模[2]。目前国外四旋翼无人直升机的研究工作和M4与M2和M3关于X轴对称，螺旋桨M1和M2与M3和主要集中在以下3个方面：

7、基于惯导的自主飞行、基于视觉M4关于Y轴对称，如图1所示。对于四旋翼的模型本文主要的自主飞行和自主飞行器系统。而国内对四旋翼的研究主要根据四旋翼的物理机理进行物理建模，并做以下2条假设。有：西北工业大学、国防科技大学、南京航天航空大学、中国空空导弹研究院第27所、吉林大学、北京科技大学和哈工大[3]等。大多数的研究方式是理论分析和计算机仿真，提出了很多控制算法。例如，针对无人机模型的不确定性和非线性设计的DI/QFT（动态逆/定量反馈理论）控制器[4]，国防科技大学提出的自抗扰控制器可以对小型四旋翼直升机

8、实现姿态增稳控制，还有一些经典的方法比如PID控制等，但是都不能图1四旋翼外形示意图很好地控制四旋翼速度较大的情况。本文对四旋翼无人机设Fig.1Structurediagramofthequadrotors计了另外一种不同的控制方法即四旋翼的四元数控制律设1）四旋翼无人机是绝对的刚体，不考虑其结构和弹性形变，而且机体的重心位置不变，其质量为常数；收稿日期：2012-06-08稿件编号：201206062基金项目：西北工业大学