四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)控制研究與實(shí)現(xiàn)

盧耀翔 張加斯 陳思佳

摘? 要：四旋翼飛行器是一種多旋翼無(wú)人機(jī)，能夠垂直起降，自由懸停，在軍事和民用方面具有廣泛的應(yīng)用前景。論文采用動(dòng)力學(xué)模型來(lái)進(jìn)行四旋翼飛行器飛行姿態(tài)的描述。主要運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有偏航運(yùn)動(dòng)，俯仰運(yùn)動(dòng)，滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和懸停。在MATLAB/simulink的環(huán)境下建立動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行仿真。采用PID控制對(duì)以上姿態(tài)進(jìn)行控制。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器;動(dòng)力學(xué)模型;MATLAB/simulink

1.前 言

在生活當(dāng)中我們也處處使用著無(wú)人機(jī)。如地質(zhì)、氣象、農(nóng)業(yè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、航拍等。這大大拓展了無(wú)人機(jī)本身的用途，發(fā)達(dá)國(guó)家也在積極擴(kuò)展行業(yè)應(yīng)用與發(fā)展無(wú)人機(jī)技術(shù)。尤其是四旋翼飛行器，也稱(chēng)四旋翼直升機(jī)，是一種有4個(gè)螺旋槳呈十字交叉的飛行器。

有四個(gè)螺旋槳的飛行器，四個(gè)旋翼與機(jī)體的前、后、左、右四個(gè)方向是一一對(duì)應(yīng)的，它的四個(gè)旋翼高度平面是統(tǒng)一的，而且直徑和構(gòu)造都是一樣的。它的四個(gè)馬達(dá)控制分別安裝在飛行器的支架端。

如果要改動(dòng)四旋翼的轉(zhuǎn)速我們就要用到它的多個(gè)電機(jī)，這要做就能提高該飛行器的升力，從而能控制飛行器的飛行 姿勢(shì)和它所在的地方。但是為四旋翼飛行器選擇適合的控制方法并對(duì)其進(jìn)行合理的控制和仿真是非常困難的。導(dǎo)致此現(xiàn)象的主要原因是四旋翼飛行器具有不穩(wěn)定、復(fù)雜、非線性動(dòng)力學(xué)特性。目前國(guó)外的控制方法有自適應(yīng)、變結(jié)構(gòu)、智能以及PID等，這些主要解決四旋翼飛行器非線性等問(wèn)題。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直起降機(jī)。

四旋翼飛行器有垂直起降，自由懸停，可適應(yīng)于各種速度及飛行剖面航路的飛行狀況等優(yōu)點(diǎn)。四旋翼飛行器的這些優(yōu)勢(shì)使得它的應(yīng)用范圍非常廣泛，不但具有一般戰(zhàn)場(chǎng)需要的偵查監(jiān)視、為其他作戰(zhàn)武器指示目標(biāo)等作戰(zhàn)功能，還可以作為武器投放平臺(tái)參加戰(zhàn)斗。而且還能進(jìn)行地震、火災(zāi)救援等。在地質(zhì)和生態(tài)領(lǐng)域?qū)λ男盹w行器也有一定的應(yīng)用，主要用于測(cè)繪、地形勘察、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。還可以在四旋翼飛行器上面安裝攝像頭，利用攝像頭可以進(jìn)行攝像與航拍。

2 四旋翼飛行器動(dòng)力學(xué)模型

2.1坐標(biāo)系

需要建立兩個(gè)坐標(biāo)系：機(jī)體坐標(biāo)系和慣性坐標(biāo)系（如圖2所示）。對(duì)于四旋翼飛行器來(lái)說(shuō)，如果坐標(biāo)系建立的比較合適的話，就能夠使得運(yùn)動(dòng)方程更加簡(jiǎn)單，分析、求解起來(lái)也比較容易。我們可以選用機(jī)體坐標(biāo)系，來(lái)對(duì)飛行器的移動(dòng)進(jìn)行描述。選用慣性坐標(biāo)系，來(lái)確定飛行器的方位。

2.2歐拉角

定義一個(gè)物體相對(duì)于基準(zhǔn)坐標(biāo)系的方位時(shí)，要用到一系列的純旋轉(zhuǎn)。這就形成了一個(gè)正交變換。有關(guān)的旋轉(zhuǎn)角就稱(chēng)歐拉角，它們唯一地確定了物體的方位。在圖2 中定義歐拉角如下：

3.1 四旋翼飛行器 PID 控制

四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)模型復(fù)雜，受外界影響較大，對(duì)控制器的自適應(yīng)和魯棒特性要求都比較高?？刂扑男盹w行器，首先，四個(gè)電機(jī)，如何控制側(cè)傾？如果只是考慮控制一個(gè)電機(jī)來(lái)側(cè)傾，這不嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)楫?dāng)動(dòng)作其中一個(gè)電機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)速的變化改變了反扭矩的大小而對(duì)角的另一個(gè)電機(jī)產(chǎn)生的扭矩沒(méi)有改變，此時(shí)四旋翼不僅側(cè)傾還會(huì)在 yaw 上面產(chǎn)生額外的運(yùn)動(dòng)，所以控制電機(jī)應(yīng)該成對(duì)去控制。

由仿真結(jié)果可以表明此模型模擬了飛行器的垂直起降過(guò)程以及俯仰角，偏航角，滾轉(zhuǎn)角的變化過(guò)程。

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基金項(xiàng)目：嘉興學(xué)院南湖學(xué)院SRT資助項(xiàng)目