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1、四旋翼飛行器的動力學(xué)建模與飛行控制歷小偉，等?四旋翼飛行器的動力學(xué)建模與飛行控制1,21,2歷小偉,郭玉英(1．西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院四川綿陽，621010)(2．特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四川綿陽，621010)摘要:為了解決四旋翼飛行器姿態(tài)控制問題,本文分析了四旋翼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與飛行原理;在混合坐標(biāo)系下采用牛頓－歐拉法,建立了四旋翼飛行器的動力學(xué)特性方程;設(shè)計了抗積分飽和串級PID控制器、姿態(tài)反演控制器,并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證與飛行實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果與實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)均證明了所設(shè)計控制方法的有效性。關(guān)鍵詞:四旋翼飛行器;抗積分飽和串級PID;MA
2、TＬAB/Simulink仿真;反演控制;飛行控制中圖分類號:TP13文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ADOI編碼:10．1４016/j．cnki．1001－9227．2017．01．130Abstract:Inthispaper，adynamicmodelofthefour－rotoraircrafthasbeendevelopedinthehybridframewiththeNewton－Eulerformalism．Anti－windupPIDcontrolandbacksteppingcontrolstrategiesareproposedtostabil
3、izethefour－rotoraircraft．Tovalidatetheproposedcontrolstrategy，varioussimulationresultshavebeencarriedout．Theanti－windupPIDcontrollerhasbeenalsoappliedinreal－timetoafour－rotoraircraftprototype．Theexperimentalresultsandsimulationsshowthegoodperformancesofthecontrolalgorithm．Ke
4、ywords:four－rotoraircraft;anti－windupPIDcontrol;backsteppingcontrol;flightcontrol題，本文首先對四旋翼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理進(jìn)行了分0引言析，并建立了簡化數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上又設(shè)計了抗積分四旋翼飛行器具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)動性飽和串級PID控制器、姿態(tài)反演控制器，通過MATＬAB/[1]能強(qiáng)、易于控制等特點(diǎn)，因此，在軍事、民用和商業(yè)領(lǐng)域Simulink仿真和實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文算法的有[5]上具有廣泛的應(yīng)用，例如可用于無人偵查，航拍，搜尋營效性。[2－3
5、]救及植保等。由于四旋翼飛行器是六自由度和四輸1四旋翼飛行器原理入的欠驅(qū)動系統(tǒng)，具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合和易受干擾[9][10]的特性，這導(dǎo)致了飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計難度較大。四旋翼飛行器有“Ｘ”型分布和“十”字形分布兩種結(jié)[9]對于四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)，國內(nèi)外科研院所進(jìn)構(gòu)。本文主要研究對象為“Ｘ”型四旋翼。為了抵消四行了廣泛的研究。文獻(xiàn)[1]、[2]、[3]對PID算法進(jìn)行了旋翼反扭力矩的作用，提高四旋翼飛行器的能量利用率，仿真與飛行驗(yàn)證;但由于文獻(xiàn)[1]、[2]、[3]都沒有考慮四四個螺旋槳和電機(jī)對稱的安裝在機(jī)架上，即四個螺旋槳分旋翼飛行
6、器模型的非線性及外界環(huán)境的擾動因素的影響，成兩組，對角線上的螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相同，相鄰的螺旋槳所以導(dǎo)致所設(shè)計控制器在線性模型下的控制效果不理想;旋轉(zhuǎn)方向相反。通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器文獻(xiàn)[４]針對傳統(tǒng)反演控制算法需要調(diào)節(jié)多個參數(shù)的問的垂直運(yùn)動、橫滾運(yùn)動、俯仰運(yùn)動、偏航運(yùn)動。題，設(shè)計了一種改進(jìn)的反演控制器，通過引入一個虛擬函2四旋翼飛行器數(shù)學(xué)建模數(shù)，把需要調(diào)節(jié)的參數(shù)減少了一半，但是本文的不足之處是在理想條件下設(shè)計控制器，這不切合實(shí)際;文獻(xiàn)[5]為本文采用牛頓－歐拉方法進(jìn)行機(jī)理建模。為了方便了解決軌跡誤差，設(shè)計了一種積分反演控制器，同時說明
7、模型的建立以及對控制算法的研究，建立兩套坐標(biāo)系，地了積分反演控制算法與PID控制算法之間的關(guān)系，為參數(shù)理坐標(biāo)系R(x、y、z)與機(jī)體坐標(biāo)系R(x、y、z)，飛行EeeeBbbb的調(diào)節(jié)帶來了方便，但所設(shè)計的控制器響應(yīng)慢且有超調(diào);器的姿態(tài)角分別用橫滾角φ，俯仰角θ，偏航角φ表示。文獻(xiàn)[6]以O(shè)S４飛行器為平臺研究了反演控制算法與滑為了更好地闡述四旋翼飛行器六自由度的運(yùn)動模型，?？刂扑惴ǎ⑦M(jìn)行了仿真與飛行驗(yàn)證，但反演控制有一聯(lián)合機(jī)體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系建立混合坐標(biāo)系[8]。在混定的延遲與誤差，滑?？刂苿t出現(xiàn)高頻抖動，導(dǎo)致系統(tǒng)不合坐標(biāo)系下，四旋翼飛行器
8、的運(yùn)動特性方程[8]為:穩(wěn)定。Mζ+C(ζ)ζ=G+O(ζ)Ω+E(ζ)Ω2(1)HHHHH針對四旋翼飛行器非線性引起的姿態(tài)控制不穩(wěn)定問其中M表示Ｈ坐
