四旋翼飛行器-系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模實(shí)驗(yàn)

1、- #- - - -四旋翼飛行器動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告稱名號(hào)師院（系）學(xué)生姓學(xué)生學(xué)指導(dǎo)教2010年12月18日實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)在Matlab環(huán)境中對(duì)四旋翼飛行器進(jìn)行系統(tǒng)建模，掌握四旋翼飛行器的建模和控制方法和在Matlab下快速建立虛擬可視化環(huán)境的方法。實(shí)驗(yàn)設(shè)備()硬件：機(jī)。(2)工具軟件：操作系統(tǒng)：Windows系歹I；軟件工具：MATLAB及simulink。實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)要求3.1實(shí)驗(yàn)原理四旋翼飛行器通過(guò)四個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的升力實(shí)現(xiàn)飛行，原理與直升機(jī)類似。四個(gè)旋翼位于一個(gè)幾何對(duì)稱的十字支架前，后，左，右四端，如圖1所示。旋翼由電機(jī)控制；整個(gè)飛行器依靠改變每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)控制。圖1四

2、旋翼飛行器旋轉(zhuǎn)方向示意圖前端翼1在圖1中，前端旋翼1和后端旋翼3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而左端旋翼2和右端的旋翼4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，以平衡旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的反扭轉(zhuǎn)矩。由此可知，懸停時(shí)，四只旋翼的轉(zhuǎn)速應(yīng)該相等，以相互抵消反扭力矩；同時(shí)等量地增大或減小四只旋翼的轉(zhuǎn)速，會(huì)引起上升或下降運(yùn)動(dòng)；增大某一只旋翼的轉(zhuǎn)速，同時(shí)等量地減小同組另一只旋翼的轉(zhuǎn)速，則產(chǎn)生俯仰、橫滾運(yùn)動(dòng)；增大某一組旋翼的轉(zhuǎn)速同時(shí)等量減小另一組旋翼的轉(zhuǎn)速，將產(chǎn)生偏航運(yùn)動(dòng)。四旋翼飛行器受力分析,如圖2所示，旋翼機(jī)體所受外力和力矩為：厶圖2四旋翼飛行器受力分析示意圖旋翼機(jī)體所受外力和力矩為：重力mg,機(jī)體受到重力沿-z方向；w四個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的升力F(i=1

3、,2,3,4),i旋翼升力沿z方向；b旋翼旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩M(i=1,2,3,4)。iM垂直于葉片的旋翼平i面，與旋轉(zhuǎn)矢量相反。按照?qǐng)D3所示的控制回路對(duì)飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制，控制回路包括內(nèi)外兩層。RigidBodyDynamicsrr(Q嚴(yán)：腫”(坊嚴(yán)”jp(i),g(*),r(i)|J結(jié)構(gòu)Position8ntralMotorDynamicsAttitudeContiroi圖3包含內(nèi)外兩個(gè)控制回路的控3.2實(shí)驗(yàn)要求（1）基于Simulink建立四旋翼飛行器的懸?？刂苹芈?，實(shí)現(xiàn)飛行器的懸?？刂?；（2）建立GUI界面，能夠輸入?yún)?shù)并繪制運(yùn)動(dòng)軌跡；（3）基于VRToolbox建立3D動(dòng)畫場(chǎng)景，

4、能夠模擬飛行器的運(yùn)動(dòng)軌跡（不要求模擬螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)）。實(shí)驗(yàn)方法及步驟（1）根據(jù)控制回路的結(jié)構(gòu)建立simulink模型（如圖4）；（2）為了便于對(duì)控制回路進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，利用Matlab軟件為四旋翼飛行器創(chuàng)建GUI參數(shù)界面（如圖5）；（3）利用Matlab的VRToolbox建立四旋翼飛行器的動(dòng)畫場(chǎng)景（如圖6）.- #- -四旋翼飛行器仿KtxKtyKtzKDphiKDth&taKDpsi圖6四旋翼飛行器動(dòng)畫場(chǎng)景- -軟件設(shè)計(jì)（框圖）對(duì)GUI界面調(diào)用Callback函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證用戶在單擊GUI界面中的對(duì)象后能夠執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼飛行器參數(shù)的調(diào)整和動(dòng)作仿真。程序代碼見(jiàn)電子版附件。實(shí)驗(yàn)結(jié)

5、果及分析分別使用默認(rèn)參數(shù)和輸入新的參數(shù)進(jìn)行四旋翼飛行器運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真模擬，可以看出仿真結(jié)果和動(dòng)畫場(chǎng)景相吻合。- #-圖8使用默認(rèn)參數(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景- -實(shí)驗(yàn)總結(jié)此次MATLAB實(shí)驗(yàn)綜合了SIMULINK、GUI和VR場(chǎng)景等多個(gè)部分，對(duì)四旋翼飛行器運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真模擬，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明繪圖和VR場(chǎng)景與預(yù)期結(jié)果皆吻合，說(shuō)明整體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是準(zhǔn)確的。實(shí)驗(yàn)心得在實(shí)驗(yàn)之前我對(duì)四旋翼飛行器有過(guò)一些了解，但并未思考過(guò)具體模型的建立和運(yùn)動(dòng)控制的分析，借助此次實(shí)驗(yàn)，對(duì)四旋翼飛行器的受力分析、模型建立、控制回路設(shè)計(jì)等有了較為細(xì)致的了解。作為一個(gè)非常經(jīng)典的控制模型，我認(rèn)為了解四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)過(guò)程和理解其中細(xì)節(jié)對(duì)以后學(xué)習(xí)研究中數(shù)學(xué)模型的建立是十分有幫助的，這是此次實(shí)驗(yàn)的最大收獲。此外，還對(duì)GUI和VR場(chǎng)景進(jìn)行了學(xué)習(xí)，Matlab提供了強(qiáng)大的用戶圖形界面，以幫助用戶不必編寫底層程序而直接在軟件包基礎(chǔ)上進(jìn)行自行開(kāi)