【《四旋翼无人机系统构成与动力学模型分析案例》1800字】

四旋翼无人机系统构成与动力学模型分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u10722四旋翼无人机系统构成与动力学模型分析案例 1100211.1四旋翼无人机的运动原理和系统构成 125971.1.1四旋翼无人机的运动原理 1161871.1.2系统硬件构成 2313371.2运动原理的数学模型 31.1四旋翼无人机的运动原理和系统构成对称结构、多个旋转翼和特殊的运动原理使四旋翼无人机区别于传统意义上的飞行器。通过电机控制旋翼的转速完成四旋翼无人机飞行动作。飞行控制系统主要由供电、直流电机、中央处理器、姿态检测、无线通信模块等模块构成。1.1.1四旋翼无人机的运动原理四旋翼无人机只有一个旋翼转动时，由于空气阻力的作用，会使飞行器产生反向的扭矩，这时机体会朝着旋翼转动的反方向进行转动，而传统直升机的尾部螺旋桨就是用来抵消这种反向扭矩的。四旋翼无人机相较于传统意义上的飞行器结构简单，机身支架是对称的、垂直交叉的十字结构，机身上的四个旋翼旋转时所产生的反扭矩互相之间能够抵消。机身上的直流电机带动桨叶，桨叶速度的不同可以产生不同的升力来控制机身的平衡和飞行运动方式。四旋翼无人机大致可完成向左向右、前后、顺时针变航、逆时针变航和垂直上升下降的飞行动作，结构的总体控制模式有十字型和X型，这两种模式都是根据对称轴来划分的，本设计中选取X模式来进行无人机的实验。图2-1X模式图2-2十字模式四旋翼无人机的螺旋桨分为正桨和反桨。顺时针方向分别以1、2、3、4对四个桨进行编号。1、3桨是正桨并且按逆时针方向旋转，2、4桨是反桨并且按顺时针方向旋转。(1)垂直上升和下降飞行姿态稳定时，增大四轴电机的转速，无人机垂直上升，减小四轴电机转速，无人机垂直下降。(2)向前和向后运动飞行姿态稳定时，M2和M3电机同时提高转动速度，电机M1和M4维持原先转速或降低转速，无人机就能向前运动。向后运动就是电机M2和M3转速不变或减小，M1和M4电机转速提高。(3)向左和向右运动飞行姿态稳定时，M1、M2电机增大转动速度，M3、M4电机减小转动速度或保持不变，四旋翼无人机可实现往左运动。(4)顺时针变航和逆时针变航飞行姿态稳定时，M1和M3电机提高转速，M2和M4电机减小转速或保持转速不变可使四旋翼无人机顺时针转弯。M1和M3电机转速不变或减小，M2和M4电机转速提高就可实现四旋翼无人机逆时针转弯。1.1.2系统硬件构成(1)有刷电机和无刷电机图2-3空心杯直流有刷电机图2-4无刷电机直流有刷电机特点是体积小、价格便宜且控制简单，适合用于做微型四旋翼无人机。本设计中无人机使用图2-3的空心杯有刷电机。无刷电机载重能力强，但体积较大，更适合用于做大四旋翼无人机，且无刷电机需专门配备电调模块。(2)MOS管和电调电调控制电机转动。有刷电机电调需要MOS管，无刷电机电调不需要MOS管就能直接输出PWM控制电机转速，本设计采用图2-5的MOS管。图2-5MOS管图2-6无刷电机电调模块(3)航模电池四旋翼无人机选用的锂电池如图2-7所示。图2-7锂电池图2-8正反桨(4)正反桨本设计中四旋翼无人机选用如图2-8所示的桨叶，带A字的桨为正桨。单个桨叶旋转导致无人机自旋，因此需要桨叶旋转方向不能都一样，这就区分出正反桨。(5)微型四轴飞控飞控主要组成有MCU、陀螺仪、加速度计等传感模块和通讯模块。飞控是姿态数据解算和控制电机的核心，如图2-9所示。图2-9飞控和遥控器接收机1.2运动原理的数学模型建立四旋翼无人机动力学数学模型：(1)数学模型中机体质量恒定且分布均匀，质心和原点相互重合；(2)以地表作为参考坐标系，不考虑地球自转和公转；(3)重力加速度g恒定；(4)飞行器惯性矩阵即：(2-1)(5)在理想地理坐标系下，四旋翼无人机受到的合外力为F，由牛顿第二定律得F=mdV/dt，系统动量矩为H，系统总力矩为M，满足M=dH/dt，速度和动量矩绝对导数：（2-2）（2-3）IH是动量矩M的单位矢量，dH/dt表示机体坐标系动量矩导数Iv是速度v的单位矢量，dv/dt表示速度的相对导数（2-4）（2-5）其中vxb、vyb、vzb、p、q、r是v、w在机体坐标系x、y、z轴上的分量。(1)线性运动方程飞行器质心的速度v即x、y、z轴上分速度的合成即：（2-6）飞行器质心合力F即x、y、z轴上受到力的合成即：（2-7）整理公式得：（2-8）动力学方程转换到机体坐标系方程即：（2-9）Ki是等效阻力系数(2)角速度运动方程机体x、y、z轴上的角速度合成为ω：（2-10）欧拉角表示旋转角度即：（2-11）则机体欧拉角公式为：（2-12）机体力矩方程：（2-13）机体在x、y、z轴上的力矩Mx、My、Mz的合成为机体合力矩M，机体角速度方程：（2-14）油门、横滚、俯仰、偏航控制量为U1、U2、U3、U4，Fi是飞行器所受拉力关系如下：