四旋翼飞行器悬停状态姿态控制建模与仿真

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1、第30卷第11期计算机仿真2013年11月文章编号：1006-9348(2013)11-0041-05四旋翼飞行器悬停状态姿态控制建模与仿真陈航科，张东升，盛晓超，王凯(西安交通大学，陕西西安710049)摘要：对四旋翼飞行器悬停状态下建立合理动力学模型，为实现四旋翼机悬停飞行时可靠姿态优化控制，提出采用四旋翼机悬停状态建模从单个旋翼受力方法，以四个旋翼转速作为控制量，认为悬停飞行时飞行器自身重力与竖直方向升力完全平衡，在竖直方向上施加一个约束方程，结合其它三个姿态角约束方程，建立起四旋翼机悬停状态下姿态角到旋翼转速的对应方程。利

2、用上述模型，在Matlab软件上对四旋翼机进行悬停时的PID控制联合仿真。仿真结果表明，所建立动力学模型正确有效，更有助于实现四旋翼机悬停状态的姿态优化控制。关键词：四旋翼飞行器；悬停飞行；姿态控制；联合仿真中图分类号：THl22文献标识码：BModelingandAttitudeControlSimulationforFour-rotorAircraftinHoverCHENHang-ke，ZHANGDong—sheng，SHENGXiao—chao，WANGKai(Xi’anJiaotongUniversity，Shaanxi

3、Xi’an710049，China)ABSTRACT：Establishingareasonabledynamicmodeloffour-rotoraircraftinhoverisoneofthekeyquestionsforachievingreliableattitudecontroloffour-rotoraircraftinhover．Inthispaper，themodelingoffour—rotoraircraftstartedfromthekineticanalysisofsinglerotor．Wechoset

4、hespeedofthefourrotorsascontrolparameter，andas—sumethatforfour—rotoraircraftinhover，thegravityisperfectequaltoitsliftforce．Basedonthis，weappliesacon—straintequationintheverticaldirection，combinedwiththeotherthreeangularconstraintequation，establishedthecorrespondingequ

5、ationsbetweenattitudeangularandrotors’speedofthefour—rotoraircraft，onthisbasis，employedMatlab／SimulinkCO—simulationtorealizetheattitudecon”olsimulationfortheFour—rotoraircraftinhover．Thesim．ulationresultsshowthat，thedynamicmodeliscorrectandeffective，andmorehelpfulinre

6、alizingtheattitudecontroloftheFour—rotoraircraftinhover．KEYWORDS：Four—rotoraircraft；Flightinhover；Attitudecontrol；Co-simulation1引言四旋翼飞行器由于具有机动性高、控制灵活、稳定性好、相比同尺寸单旋翼飞行器升力大等优点，近年来在军事和民用领域受到越来越多的重视。目前针对四旋翼飞行器悬停状态下动力学模型建立多从整机受力出发，选择四个旋翼升力的某种组合作为整机姿态控制量。1、2o，这种方法建立的模型其控制量存在

7、复杂耦合，且控制量物理意义模糊，不能适应四旋翼飞行器的姿态控制。本文从四旋翼飞行器单个旋翼受力人手，选择四个旋翼的转速作为直接控制量，并认为悬停飞行时飞行器自身重力与竖直方向升力完全平衡，据此在四旋翼机三个姿态约束方程基础上添加一个竖直方向上的约束方程，从而得到四旋翼机三个姿态角到四个旋翼转速的对应方程，应用此对应方程，在Matlab平台上进行仿真，对基金项目：国家自然科学基金项目(51075321)收稿日期：2012—12—31修回日期：2013-02-02悬停状态下四旋翼机姿态角采用PID控制仿真。通过本文的建模，一方面提高了

8、四旋翼机悬停状态的建模精度，另一方面使得所建立模型更好的适应了四旋翼机悬停飞行时的姿态控制。2四旋翼飞行器悬停状态动力学建模由于飞行器在飞行过程中的姿态角以及航速均是在地面坐标系下讨论的，而机体的受力分析多是在与机体固联的机身坐标系下讨论的，因此需