四旋翼飞行器的动力学建模及PID控制

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1、万方数据第31卷第1期辽宁工程技术大学学报(自然科学版)2012年2月V01．31No．1JournalofLiaoningTechnicalUniversity(NaturalScience)Feb．2012文章编号：1008-0562(2012)01-0114-04四旋翼飞行器的动力学建模及PID控制李俊，李运堂(中国计量学院机电工程学院，浙江杭州310018)摘要：为了解决四旋翼飞行器的飞行控制问题，对四旋翼飞行器进行了动力学建模，并在动力学建模的基础上设计了PID控制器．通过Matlab／Simulink仿真和飞行试验对所设计的PID控制器的有效性进行了验证，仿真结果表明：在所设定

2、的PID参数卜．，控制器可以有效地完成四旋翼飞行器的自稳定控制．飞行试验结果表明：PID控制器可以有效地校正由于杂乱气流等扰动造成飞行角偏移．该成果对四旋翼飞行器的自稳定控制具有一定的参考价值和指导意义．关键词：四旋翼飞行器：数学模型；PID控制；Matlab；动力学分析；自稳定控制：仿真；飞行试验中图分类号：TP13文献标志码：AModelingandPIDcontrOlforaquadrotorLIJun，LIYuntang(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018

3、，China)Abstract：Inordertosolvetheflyingcontrolproblemassociatedwithaquadrotor,adynamicmodelonquadrotorwasdevelopedinthisstudy．Basedonthemodeldeveloped，aPIDcontrollerWaSdesigned．Also，theeffectivenessofthePIDcontrollerwastestedbyMatlab／Simulinksimulationandflyingtest．Thesimulationresultdemonstratest

4、hatthePIDcontrollerisabletorobustlystabilizethequadrotorhelicopterwiⅡlgivenPIDparameters．TheflyingtestshowsthatthePIDcontrollerCalleffectivelyadjustthedeviationofflyinganglecausedbyrandomairflow．Theoutcomefromthisstudyprovidesasignificantreferenceforaquadrotor’Sself-stabilitycontr01．Keywords：quadr

5、otor；modeling；PIDcontrol；Matlab；dynamicanalysis；self-stabilitycontrol；Simulink；flyingtest引言近年来，四旋翼飞行器逐渐成为航空学术研究中新的前沿和热点．四旋翼飞行器是一种能实现垂直起降的非共轴式多旋翼飞行器【IJ，可以只通过调节蝶形分布的四个旋翼的转速，实现对四旋翼飞行器飞行姿态的控制．由于不需要尾翼，四旋翼飞行器结构更加紧凑，四个旋翼的提升力比单旋翼更加均匀，因而飞行姿态更加稳定．另外，四旋翼飞行器还具有起飞要求低、可悬停等特点12J．飞行控制是四旋翼飞行器控制中的关键技术．澳大利亚卧龙岗大学的Mck

6、errow对四旋翼飞行器进行了精确建模．美国斯坦福大学的GabeHoffinan等人研发出了基于非线性控制律的飞行控制器，国防科技大学王俊生等设计了基于FSMC的飞行控制方法‘3棚．目前研究多集中在非线性控制领域，由于非线性控制对模型准确性有较强的依赖，在模型误差存在的条件下，PID控制更加实用．本文在四旋翼飞行器动力学建模的基础上设计了PID控制器．1动力学模型的建立为了获得四旋翼飞行器的数学模型，首先建立两个基本坐标系：惯性坐标系e(oxrz)和飞行器坐标系B(oxyz)，见图1．图1中，分别定义欧拉角如下：偏航角妒：Ox在OXY平面的投影与X轴夹角；俯仰角0：Oz在OXZ平面的投影与

7、Z轴夹角；翻滚角咖：仍在OYZ平面的投影与y轴夹角．飞行器坐标系到惯性坐标系的转换矩阵为收稿日期：2011-05-05基金项目：国家自然科学基金资助项目(50905171)作者简介：李俊(1986．)，男，山东泰安人，硕士研究生，主要从事四旋翼飞行嚣方面的研究．本文编校：曾繁慧万方数据第l期李俊，等：四旋翼飞行器的动力学建模及PID控制115图l四旋翼飞行器的结构模型Fig．1structuremodelofthequa