基于Adams与Matlab的四旋翼飞行器控制仿真.pdf

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1、且应用技孜术木基于Adams与Matlab的四旋翼飞行器控制仿真胡锦添舒怀林(广州大学机械与电气工程学院)摘要：为了避免推导四旋翼飞行器动力学方程的繁琐过程，提高其机械系统与控制系统的设计效率，在三维绘图软件Solidworks中建立四旋翼飞行器的实体模型，然后通过动力学仿真软件Adams的接口模块Adams／control与Matlab进行数据交换，利用Matlab／Simulink搭建了四旋翼飞行器控制系统的仿真平台，最终实现基于Matlab与Adams的四旋翼飞行器的联合动态仿真。同时验证了该系统具有良好的响应特性与跟踪特性，体现了Adams与Matlab联合

2、仿真的可行性与优越性。关键词：四旋翼；飞行器；Adams；Matlab；控制仿真行器的实体模型，然后将其导入动力学仿真软件O前言Adams中，通过Adams的接口模块Adams／control与四旋翼飞行器是一种四螺旋桨驱动的、可垂直升Matlab进行数据交换，实现四旋翼飞行器运动学及动降的飞行器，这种结构被广泛用于微小型无人飞行器力学仿真。的设计，具有重要的军用和民用价值。它同时也具有1四旋翼飞行器机械结构系统的建立欠驱动、多变量、强耦合、非线性和不确定等复杂特性。近年来，随着新型材料、微机电、微惯导以及飞1．1四旋翼飞行器三维结构模型的建立行控制等技术的进步，四

3、旋翼飞行器得到了迅速发尽管Adams提供了丰富的建模工具，但直接在展，逐渐成为人们关注的焦点【l】。Adams中建模还是比较困难。大多数模型是由其它绘Adams软件是美国MDI公司开发的虚拟样机分图软件绘制后再导入到Adams中，本文选择析软件，它使用交互式图形环境和零件库、约束库、Solidworks三维设计软件建立四旋翼飞行器结构模力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，非常方型。设计的四旋翼飞行器具有1个机架、4个电机和便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分4个旋翼，能实现l0个自由度的回转运动和平移运析，更具有开放性的程序结构和多种接口，方便进行动。

4、其三维结构模型如图l所示。二次开发。但是对于控制系统的设计，Adams只能处理一般的简单控制环节。相比之下，MaⅡab能够处理各种复杂的高级控制环节，如智能控制系统。如果能充分发挥两者的特点，结合在一起使用，这将给复杂机电系统的设计提供一种新方法[2。】。本文利用Adams软件和Matlab软件，对四旋翼飞行器及其控制系统进行联合仿真。利用Matlab／Simulink模块搭建了四旋翼飞行器控制系统的仿真平台，实现基于Matlab与Adams的四旋翼飞图1四旋翼飞行器三维结构模型行器的联合动态仿真，避免了推导四旋翼飞行器的动1．2四旋翼飞行器运动仿真系统的建立力学方

5、程的繁琐过程，提高了四旋翼飞行器设计效将Solidworks中创建的四旋翼飞行器结构模型率。首先通过三维设计软件Solidworks建立四旋翼飞导入到Adams中。首先把Solidworks中的模型文件2012年第5期自动化与信息工程25保存为．XT(Parasolid)格式，然后导入到Adams中。_翼；同时，通过三轴陀螺仪与三轴加速度传感器进行最后对每个零部件进行属性编辑，定义质量、材料、姿态信号反馈，实现全闭环姿态控制。系统总体控制转动惯量等相关属性钔，经过处理后，虚拟样机便具结构如图3所示。有与真实样机相似的物理特性，可实现Adams对四旋翼飞行器的运动学及

6、动力学仿真，如图2所示。给定俯仰角．．．{直流电机调速系统卜陀俯仰角J姿螺给定滚转角态-．{直流电机调速系统卜仪滚转角《■目●●日_、。，控+制_．{直流电机调速系统}_．加给定偏航角+器速吾6_．4直流电机调速系统卜度计偏航角、盎I图3四旋翼行器控制结构3联合仿真整体系统的建立3．1联合仿真系统机械子系统的建立图2定义约束后的四旋翼飞行器模型要实现机械系统与控制系统的联合仿真，必须先为了更好地模拟实际系统，要为导入Adams中把Adams中建立的四旋翼飞行器机械子系统导入到的模型定义约束及驱动，包括在4个旋翼处及机架中Matlab，然后在Matlab／Simuli

7、nk中搭建联合仿真系统。心处分别定义旋转约束和球铰链约束，在其它没有相对运动的零件处定义固定约束【5】。这样可确定飞行器使用Adams中的Adams／control模块，设置参数后便自动生成相关文件【6J。通过该模块可实现Adams的各个零件之间的约束关系。同时，在4个旋翼处定义旋转驱动作为输入的驱动力矩。为简化仿真难度，与Matlab之间的数据传递。同时，要实现机械系统忽略空气动力学等问题，把4个旋翼的升力简化为刚与控制系统之间的参数传递，需要设置参数变量，在Adams中创建7个状态变量，包括4个控制转速变量性作用力。4个旋翼作用力和力矩可以通过人为设定，或将