四旋翼无人机建模概要

1、四旋翼无人机控制系统-07-25主讲人： 康日晖四旋翼无人机建模概要第1页目 录研究综述 四旋翼无人机动态数学模型 PID控制123四旋翼无人机建模概要第2页1研究综述 四旋翼无人直升机是含有四个输入力和六个坐标输出欠驱动动力学旋翼式直升机，从而可知该系统是能够准静态飞行(盘旋飞行和近距离盘旋飞行)自主飞行器。与传统旋翼式无人机相比，四旋翼无人机只能经过改变旋翼 转速来实现各种运动。与传统直升机那种含有可变倾斜角不一样是，四旋翼无人直升机含有四个倾斜角固定旋翼，所以结构和动力学特征得到了简化。四旋翼无人机建模概要第3页2四旋翼无人机动态数学模型 任何系统运动方程，都是针对某一特定参考坐标系建立

2、。无人机在本质上属于多体动力学系统。无人机机身运动能够看成六自由度刚体运动，包含绕三个轴转动和重心沿三个轴向线运动。想要描述无人机转动，须选取机体坐标系想要描述无人机位置，须选取地面坐标系。四旋翼无人机建模概要第4页地面坐标系OXYZ 地面坐标系就是一个固定在地球表面坐标系。首先在地面上选定一个原点 O，使得 X 轴指向地球表面任意一个方向。Z 轴沿着铅直方向指向天，Y 轴在水平面内与 X 轴垂直，指向经过右手定则来确定。在忽略地球自转运动和地球质心 曲线运动时，该地面坐标系可看成是一个惯性坐标系。飞行器位姿态、速度、角速度等都是相对于这一坐标系来衡量。四旋翼无人机建模概要第5页机体坐标系ox

3、yz 坐标系固定在航飞行器上 并遵照右手法则三维正交直角坐标系称为机体坐标系。 原点 o 位于飞行器质 心处， x 轴在飞机对称平面内，而且平行于飞行器设计轴线，指向机头前 方。y 轴垂直于机身对称平面，并指向机身右方。z 轴在飞行器对称平面内， 与 xoy 平面垂直，并指向飞行器上方。四旋翼无人机建模概要第6页欧拉角 机体坐标系与地面坐标系关系能够经过三个欧拉角进行表示，分别是俯仰角、滚转角和偏航角。四旋翼无人机建模概要第7页坐标转换矩阵机体坐标系和地面坐标系之间转换满足下面关系式：四旋翼无人机建模概要第8页动力学模型建立依据牛顿第二定律，有：为作用在四旋翼直升机上全部外力和；为直升机质心速

4、度；m 为直升机质量；表示对于某定轴合外力矩；为直升机相对于地面坐标系动量矩。四旋翼无人机建模概要第9页动力学模型建立四旋翼无人机建模概要第10页由牛顿第二定律以及飞行器动力方程，飞行器载体在参考坐标系下位移方程为：由此能够得到位置坐标线性位移方程：四旋翼无人机建模概要第11页 无人机应以动态坐标为基础进行动力学研究。由刚体欧拉方程，绝对导数在动态坐标下能够表示为：其中（p，q，r分别为机体坐标系上横滚，俯仰，偏航角速度）：四旋翼无人机建模概要第12页整理得到：四旋翼无人机建模概要第13页由欧拉角方程能够飞行器角运动方程：四旋翼无人机建模概要第14页定义：四旋翼无人机建模概要第15页PID控制3 PID控制是一个经典闭环反馈控制方法，它广泛应用于各种工业控制系统。经典PID控制由百分比步骤、积分步骤和微分步骤三部分组成。控制系统以测量值y(t)和设定值r(t)之间误差值e(t)作为输入量，经过对误差e(t)进行百分比、积分和微分运算使控制系统输出量u(t)误差最小化。四旋翼无人机建模概要第16页由动力学方程