四旋翼飞行器的飞行控制系统设计.ppt

四旋翼飞行器的飞行控制系统设计 邱丽qiuli 飞行控制系统总体设计 一 四旋翼飞行器选型二 四旋翼飞控器控制的特点三 四旋翼飞行控制系统的基本工作原理四 飞行控制器总体结构五 四旋翼飞行器模型六 姿态解算七 控制算法 PID控制 滑模控制 鲁棒控制 Kalman滤波等 方案一 买整机改装 重点在控制器的设计 改善飞行品质上 忽略底层结构设计和模型搭建琐碎问题 方案二 买配件后自己组装 大量时间和精力放在结构设计和零件选取购买上 建议 方案一 选成熟的 X 型四旋翼飞行器 一 四旋翼飞行器选型 四旋翼飞行器选型需考虑的几个主要参数 重量 遥控模型重量 含电池 有效载重量 和海拔 电池 环境有关 需够携带一微型摄像机 尺寸 机身全长 机身宽 机高 旋翼直径 飞行时间 无线控制动力 电池供电 四电机驱动 一 四旋翼飞行器选型 例1 DraganflyerIV级遥控模型主要参数 例2 华科尔4 遥控模型主要参数 华科尔4 是一个闭环控制系统 它把三个陀螺仪作为反馈来稳定控制滚转 俯仰和偏航 闭环控制有两优点 一是机身旋转和操控员命令相对应 二 纠正外部来的干扰 如 风 四旋翼飞行器有四个输入力 六个输出 即六自由度 包括绕三个轴的转动 俯仰 偏航和滚转 重心三个轴的线运动 进退 左右 侧飞和升降 所以它是一种欠驱动系统 少输入多输出系统 这种系统容易导致不稳定 需要确保长期稳定的控制方法 二 四旋翼飞行器控制的特点 四旋翼飞行器的输入就是每个电机的旋转力矩之和 俯仰运动是由加大 或减小 后端旋翼速度 同时减小 或加大 前端旋翼转速来实现的 滚转运动 即加大 或减小 左侧旋翼转速 同时减小 或加大 右侧旋翼转速 偏航运动是由加大 或减小 前后旋翼的转速 减小 或加大 两侧翼的转速来实现的 二 四旋翼飞行器控制的特点 四旋翼飞行器飞行控制系统简图 三 四旋翼飞器系统的基本工作原理 四 四旋翼飞控系统总体结构 整个飞行控制系统包括传感器模块 四电机控制模块 中心控制模块 无线通信模块和地面控制站等部分 五 四旋翼飞行器平动动力学模型 平动动力学模型m 四旋翼直升机质量 直升机平动位置 xyz G 重力加速度 G 00g 直升机四个螺旋桨总升力 平动拖拽力系数 五 四旋翼飞行器平动动力学模型 其中其中 螺旋桨i产生的升力R为从地面坐标系到载体坐标系的坐标转换矩阵 五 四旋翼飞行器模型建立 平动动力学模型转动动力学模型 五 四旋翼飞行器非线性运动方程 五 模型简化 的组合简化简化三角函数忽略二次项相乘 认为是高阶小项 五 模型简化 选择后四行进行控制输出量输入量控制三个位置x y z 控制横滚角 控制俯仰角 控制偏航角 五 传递函数矩阵 六 捷联惯性导航 姿态解算 硬件加速度计 陀螺仪 数字罗盘加速度计输出基于载体坐标系的加速度 数字罗盘输出基于载体坐标系的磁场强度 二者结合可解算出三轴姿态角 横滚 俯仰 偏航 陀螺输出三个轴向的角速度 积分运算得到载体的姿态角数据融合低成本固态陀螺的性能较差 能保证短时间内的测量精度 响应速度快 但长时间产生漂移采用加速度计和数字罗盘联合输出值数据稳定 补偿陀螺仪的漂移 六 加速度计 数字罗盘解算姿态 观测向量 速度计可以测得重力加速度在载体坐标系X轴 Y轴上的分量 根据几何关系得到偏航角通过数字罗盘得到 六 陀螺仪解算姿态 状态向量 陀螺仪通过单轴积分法获得三轴姿态角x为陀螺仪输出电压 y为旋转角速度k为输出电压到旋转角速度的比例系数b为陀螺仪输出电压零点 七