四旋翼飞行器的动力学建模与飞行控制.pdf

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1、四旋翼飞行器的动力学建模与飞行控制历小伟，等∗四旋翼飞行器的动力学建模与飞行控制1,21,2历小伟,郭玉英(1．西南科技大学信息工程学院四川绵阳，621010)(2．特殊环境机器人技术四川省重点实验室四川绵阳，621010)摘要:为了解决四旋翼飞行器姿态控制问题,本文分析了四旋翼的结构特点与飞行原理;在混合坐标系下采用牛顿－欧拉法,建立了四旋翼飞行器的动力学特性方程;设计了抗积分饱和串级PID控制器、姿态反演控制器,并进行了仿真验证与飞行实验。仿真结果与实际飞行实验均证明了所设计控制方法的有效性。关键词:四旋翼飞行器;抗积分饱和串级PID;MA

2、TＬAB/Simulink仿真;反演控制;飞行控制中图分类号:TP13文献标识码:ADOI编码:10．1４016/j．cnki．1001－9227．2017．01．130Abstract:Inthispaper，adynamicmodelofthefour－rotoraircrafthasbeendevelopedinthehybridframewiththeNewton－Eulerformalism．Anti－windupPIDcontrolandbacksteppingcontrolstrategiesareproposedtostabil

3、izethefour－rotoraircraft．Tovalidatetheproposedcontrolstrategy，varioussimulationresultshavebeencarriedout．Theanti－windupPIDcontrollerhasbeenalsoappliedinreal－timetoafour－rotoraircraftprototype．Theexperimentalresultsandsimulationsshowthegoodperformancesofthecontrolalgorithm．Ke

4、ywords:four－rotoraircraft;anti－windupPIDcontrol;backsteppingcontrol;flightcontrol题，本文首先对四旋翼的结构特点与工作原理进行了分0引言析，并建立了简化数学模型，在此基础上又设计了抗积分四旋翼飞行器具有体积小、质量轻、结构简单、机动性饱和串级PID控制器、姿态反演控制器，通过MATＬAB/[1]能强、易于控制等特点，因此，在军事、民用和商业领域Simulink仿真和实际飞行实验，验证了本文算法的有[5]上具有广泛的应用，例如可用于无人侦查，航拍，搜寻营效性。[2－3

5、]救及植保等。由于四旋翼飞行器是六自由度和四输1四旋翼飞行器原理入的欠驱动系统，具有多变量、非线性、强耦合和易受干扰[9][10]的特性，这导致了飞行控制系统的设计难度较大。四旋翼飞行器有“Ｘ”型分布和“十”字形分布两种结[9]对于四旋翼飞行器飞行控制系统，国内外科研院所进构。本文主要研究对象为“Ｘ”型四旋翼。为了抵消四行了广泛的研究。文献[1]、[2]、[3]对PID算法进行了旋翼反扭力矩的作用，提高四旋翼飞行器的能量利用率，仿真与飞行验证;但由于文献[1]、[2]、[3]都没有考虑四四个螺旋桨和电机对称的安装在机架上，即四个螺旋桨分旋翼飞行

6、器模型的非线性及外界环境的扰动因素的影响，成两组，对角线上的螺旋桨旋转方向相同，相邻的螺旋桨所以导致所设计控制器在线性模型下的控制效果不理想;旋转方向相反。通过调节电机的转速实现四旋翼飞行器文献[４]针对传统反演控制算法需要调节多个参数的问的垂直运动、横滚运动、俯仰运动、偏航运动。题，设计了一种改进的反演控制器，通过引入一个虚拟函2四旋翼飞行器数学建模数，把需要调节的参数减少了一半，但是本文的不足之处是在理想条件下设计控制器，这不切合实际;文献[5]为本文采用牛顿－欧拉方法进行机理建模。为了方便了解决轨迹误差，设计了一种积分反演控制器，同时说明

7、模型的建立以及对控制算法的研究，建立两套坐标系，地了积分反演控制算法与PID控制算法之间的关系，为参数理坐标系R(x、y、z)与机体坐标系R(x、y、z)，飞行EeeeBbbb的调节带来了方便，但所设计的控制器响应慢且有超调;器的姿态角分别用横滚角φ，俯仰角θ，偏航角φ表示。文献[6]以OS４飞行器为平台研究了反演控制算法与滑为了更好地阐述四旋翼飞行器六自由度的运动模型，模控制算法，并进行了仿真与飞行验证，但反演控制有一联合机体坐标系与地理坐标系建立混合坐标系[8]。在混定的延迟与误差，滑模控制则出现高频抖动，导致系统不合坐标系下，四旋翼飞行器

8、的运动特性方程[8]为:稳定。Mζ+C(ζ)ζ=G+O(ζ)Ω+E(ζ)Ω2(1)HHHHH针对四旋翼飞行器非线性引起的姿态控制不稳定问其中M表示Ｈ坐