四旋翼飛行器的飛行控制系統(tǒng)設計

四旋翼飛行器的飛行控制系統(tǒng)設計邱麗qiuli@2021/6/271飛行控制系統(tǒng)總體設計一、四旋翼飛行器選型二、四旋翼飛控器控制的特點三、四旋翼飛行控制系統(tǒng)的基本工作原理四、飛行控制器總體結構五、四旋翼飛行器模型六、姿態(tài)解算七、控制算法：PID控制、滑?？刂?、魯棒控制、Kalman濾波等2021/6/272方案一、買整機改裝：重點在控制器的設計、改善飛行品質上，忽略底層結構設計和模型搭建瑣碎問題。方案二、買配件后自己組裝：大量時間和精力放在結構設計和零件選取購買上。建議：方案一，選成熟的“X”型四旋翼飛行器一、四旋翼飛行器選型2021/6/273四旋翼飛行器選型需考慮的幾個主要參數：重量：遙控模型重量（含電池）、有效載重量（和海拔、電池、環(huán)境有關，需夠攜帶一微型攝像機）。尺寸：機身全長、機身寬、機高、旋翼直徑。飛行時間：無線控制動力：電池供電、四電機驅動一、四旋翼飛行器選型2021/6/274例1：DraganflyerIV級遙控模型主要參數2021/6/275例2：華科爾4#遙控模型主要參數華科爾4#是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，它把三個陀螺儀作為反饋來穩(wěn)定控制滾轉、俯仰和偏航。閉環(huán)控制有兩優(yōu)點：一是機身旋轉和操控員命令相對應；二，糾正外部來的干擾（如：風）2021/6/276四旋翼飛行器有四個輸入力、六個輸出（即六自由度，包括繞三個軸的轉動：俯仰、偏航和滾轉，重心三個軸的線運動：進退、左右、側飛和升降），所以它是一種欠驅動系統(tǒng)（少輸入多輸出系統(tǒng)）。這種系統(tǒng)容易導致不穩(wěn)定，需要確保長期穩(wěn)定的控制方法。二、四旋翼飛行器控制的特點2021/6/277四旋翼飛行器的輸入就是每個電機的旋轉力矩之和。俯仰運動是由加大（或減小）后端旋翼速度，同時減小（或加大）前端旋翼轉速來實現的。滾轉運動，即加大（或減?。┳髠刃磙D速，同時減?。ɑ蚣哟螅┯覀刃磙D速。偏航運動是由加大（或減?。┣昂笮淼霓D速，減?。ɑ蚣哟螅﹥蓚纫淼霓D速來實現的。二、四旋翼飛行器控制的特點2021/6/278四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)簡圖三、四旋翼飛器系統(tǒng)的基本工作原理2021/6/279四、四旋翼飛控系統(tǒng)總體結構整個飛行控制系統(tǒng)包括傳感器模塊、四電機控制模塊、中心控制模塊、無線通信模塊和地面控制站等部分2021/6/2710五、四旋翼飛行器平動動力學模型平動動力學模型m—四旋翼直升機質量—直升機平動位置，=[xyz]’G—重力加速度，G=[00g]’—直升機四個螺旋槳總升力

—平動拖拽力系數

2021/6/2711五、四旋翼飛行器平動動力學模型其中其中，—螺旋槳i產生的升力R為從地面坐標系到載體坐標系的坐標轉換矩陣2021/6/2712五、四旋翼飛行器模型建立平動動力學模型轉動動力學模型2021/6/2713五、四旋翼飛行器非線性運動方程2021/6/2714五、模型簡化

的組合簡化簡化三角函數忽略二次項相乘，認為是高階小項2021/6/2715五、模型簡化2021/6/2716選擇后四行進行控制

輸出量輸入量控制三個位置x，y，z；控制橫滾角；控制俯仰角；控制偏航角

五、傳遞函數矩陣2021/6/2717六、捷聯慣性導航—姿態(tài)解算硬件加速度計、陀螺儀、數字羅盤加速度計輸出基于載體坐標系的加速度，數字羅盤輸出基于載體坐標系的磁場強度，二者結合可解算出三軸姿態(tài)角（橫滾、俯仰、偏航）陀螺輸出三個軸向的角速度，積分運算得到載體的姿態(tài)角數據融合低成本固態(tài)陀螺的性能較差，能保證短時間內的測量精度，響應速度快，但長時間產生漂移采用加速度計和數字羅盤聯合輸出值數據穩(wěn)定，補償陀螺儀的漂移2021/6/2718六、加速度計、數字羅盤解算姿態(tài)

—觀測向量速度計可以測得重力加速度在載體坐標系X軸、Y軸上的分量

、，根據幾何關系得到偏航角

通過數字羅盤得到2021/6/2719六、陀螺儀解算姿態(tài)—狀態(tài)向量陀螺儀通過單軸積分法獲得三軸姿態(tài)角x為陀螺儀輸出電壓，y為旋轉角速度k為輸出電壓到旋轉角速度的比例系數b為陀螺儀輸出電壓零點。2021/6/2720七、多傳感器融合—卡爾曼濾波KkdelayAk-1Ck+-