四軸飛行器飛控原理

1、四軸飛行器原理 四軸飛行器飛控原理四軸飛行器飛控原理1一、六種姿態(tài)控制原理示意3二、四軸翼飛行器系統(tǒng)建模42.1假設(shè)條件：42.2建立坐標系：52.3轉(zhuǎn)換矩陣推導：62.4非線性模型72.5模型線性化10三、基于PID的飛行控制13四、硬件設(shè)計與實現(xiàn)164.1四軸飛行器硬件電路16五、國內(nèi)外四軸飛行器175.1 Kesterl175.2 Unav3500175.3 MikroKoper185.4 ArduPilot185.5 Crazyflie19一、六種姿態(tài)控制原理示意圖1 上下（高度）控制，就是四個螺旋槳同時增加（減?。┺D(zhuǎn)速；圖2 前進、后退圖3 左飛、右飛圖4 類似打方向盤，改變航向二、

2、四軸翼飛行器系統(tǒng)建模2.1假設(shè)條件：微小型四旋翼飛行器在三維空間中可視為剛體,飛行器在空間中的運動具有六個自由度,即飛行器質(zhì)心在空間中的三個平移自由度和三個旋轉(zhuǎn)自由度。由于該飛行器一般為低空低速飛行,因此可以對其動力學模型的建立做如下假設(shè):1)微小型四旋翼飛行器在研究中視為剛體,忽略其彈性影響,總質(zhì)量m為常數(shù);2)將地球視為慣性系統(tǒng),忽略地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)對飛行器的影響;3)假設(shè)地面為水平平面,忽略地球曲率的影響;4)重力加速度g為常數(shù),不隨地理位置和飛行高度的變化而變化;5)飛行器機機體幾何外形完全對稱且質(zhì)量分布均勻,質(zhì)心與幾何中心重合。2.2建立坐標系：圖5機體坐標系B、地面坐標系E 繞X軸方

3、向的橫滾角(rad);繞軸方向的俯仰角(rad);繞Z軸方向的偏航角(rad):2.3轉(zhuǎn)換矩陣推導：（可以查閱高等數(shù)學方向余弦，矩陣論中的旋轉(zhuǎn)矩陣等資料）公式（1）公式（2）2.4非線性模型由于作用到飛行器上的合力和合力矩是四個螺旋獎所產(chǎn)生的力與力矩的矢量和,因此,他們之間存在極大地交叉耦合特性。例如,橫滾(俯仰)力矩的改變將會對側(cè)向(縱向)加速度有一個直接的影響。這里不考慮或忽略交叉耦合以及對單個螺旋槳的力與力矩的影響,所以下面將把飛行器建模為集總系統(tǒng),并假定四個螺旋獎軸線都與機體平面嚴格垂直。定義推力FB為四個旋翼升力的總和,因此,在機體坐標系中表示的拉力FB=0 0 TT,不包含想，x，

4、y分量。如式（3）所示。公式（3）地面坐標系下，機體的受力情況如式（4）：（4）由牛頓第二定律可知，三個方向的運動方程為：（5）Ki為空氣阻力，在低速情況下可以忽略。同理，根據(jù)歐拉方程，可以獲得機體的角度運動方程如下：（6）由（5）（6）聯(lián)合得到的運動方程：（7）其中,l是直升機質(zhì)心到電機軸之間的臂長,Mi是第i個螺旋槳對機體的扭矩,I是對應軸的轉(zhuǎn)動慣量,Iz包括Z軸慣量距和力到力矩的縮放系數(shù)。我們定義四旋翼直升機的四個輸入量為:(8)飛行器的運動方程變成：（9）2.5模型線性化因為含有正余弦，式（9）就是飛行器的非線性模型，需要進行線性化處理，以便控制系統(tǒng)進行控制。由式（8），可知，飛行器處

5、于穩(wěn)定狀態(tài)時：（10）（10）另外，飛行器的質(zhì)量很小，飛行速度不快，可以忽略空氣阻尼，即Ki=0（i=0,1,26）。結(jié)合式(9),可以得到增量（相對于一個穩(wěn)定狀態(tài)的微分）表達式：（11）式中左邊全是增量，為了書寫方便，全部省略了。該表達式只代表了穩(wěn)定情況下，各變量微小變化時的運動方程，其實無法線性化全部的狀態(tài)下的情況，下面采用LPV（linear parameter-varying）方法進行建模。假設(shè)飛行器的狀態(tài)空間表達式為：（12）系數(shù)矩陣的表達式為：式（13）由狀態(tài)態(tài)空間表達式可以獲得飛行器的傳遞函數(shù)矩陣：（14）認為，式（14）中的角度變化小，可以進一步線性化，獲得簡化的線性模型：（1

6、5）三、基于PID的飛行控制通過人為引入四個控制量(U1，U2，U3，U4),從而把非線性耦合模型解耦為四個獨立的控制通道,四旋翼直升機系統(tǒng)可以被描述為由角運動和平移運動這兩個子系統(tǒng)組成,角運動影響平移運動,而平移運動則不影響角運動。其關(guān)系如圖6。因此,在設(shè)計飛行控制系統(tǒng)時,我們應首先控制俯仰和橫滾運動,在此基礎(chǔ)上,再控制前后左右的平移運動。圖6 角運動與平移運動關(guān)系控制系統(tǒng)主要包含兩個控制回路:一個是飛行器姿態(tài)控制回路,另一個是飛行器位置控制回路。由于姿態(tài)運動模態(tài)的頻帶寬,運動速率快,所以姿態(tài)控制回路作為內(nèi)回路進行設(shè)計;而位置運動模態(tài)的頻帶窄,運動速度慢,所以位置控制回路作為外回路進行設(shè)計。位置控制回路的控制指令可以預先設(shè)置或者由導航系統(tǒng)實時產(chǎn)生。位置控制回路可以使飛行器能夠懸停在指定位置或者按照設(shè)定好的軌跡飛行。姿態(tài)控制回路的作用是使四旋翼飛行器保持穩(wěn)定的飛行姿態(tài)。若兩個控制回路同時產(chǎn)生控制信號則四個旋翼的轉(zhuǎn)速分別作相應的調(diào)整,使得四旋翼飛行器能夠按照指令穩(wěn)定飛行。四旋翼飛行器反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖7。圖7 控制系