四旋翼无人机建模及其PID控制律设计
四旋翼飞行器动力学建模与控制技术研究
四旋翼飞行器动力学建模与控制技术研究随着无人机技术的不断发展，四旋翼飞行器已经成为了无人机市场中的一种重要机型。
四旋翼飞行器由于其体积小、操作灵活、便携性强等特点，被广泛应用于农业、地质勘探、安防、航拍等领域。
然而，四旋翼飞行器的稳定性及控制问题一直是制约其广泛应用的关键性技术之一。
因此，本文将探究四旋翼飞行器动力学建模及控制技术的研究现状和趋势。
一、四旋翼飞行器动力学建模四旋翼飞行器的动力学模型一般包括四个方程，分别是运动学方程、动力学方程、气动平衡方程以及电机方程。
首先，运动学方程是描述四旋翼飞行器在空间的运动轨迹和姿态的方程。
这个方程组包括七个微分方程，包括三个表示位置的方程和四个表示姿态的方程。
位置方程描述飞行器在三个自由度上的运动，姿态方程描述飞行器在三个方向上的旋转。
接下来，动力学方程主要描述四旋翼飞行器的运动和状态方程。
四旋翼飞行器的动力学方程主要包括牛顿定律、欧拉定理、动量定理和角动量定理。
气动平衡方程则描述了四旋翼飞行器在空气中的运动状态。
这个方程组包括六个方程，其中四个方程描述四个电机的输出，两个方程描述飞行器的速度和角速度。
电机方程则描述了四个电机的动力输出。
这个方程通常采用电机的转矩和输出功率来进行建模，用来计算四旋翼飞行器的运动状态。
二、四旋翼飞行器控制技术四旋翼飞行器的控制技术是保障其稳定飞行的关键之一。
控制技术的核心是设计合理的控制算法和系统结构，通过对飞行器的状态进行控制，以达到预定的控制目标。
其中，传统的PID控制算法无法适应四旋翼飞行器的高自由度、快速响应的特点。
针对这个问题，目前研究较多的是基于模型预测控制（MPC）和切换控制的方法。
MPC将控制问题视为一个优化问题，通过对未来状态进行预测，优化当前状态，从而实现系统控制。
而切换控制则通过将控制问题分成多个子空间，通过切换不同的控制子空间，实现系统控制。
同时，四旋翼飞行器的控制技术也离不开传感技术的支撑。
四旋翼飞行器需要准确地获取各种姿态、位置、速度等信息才能进行控制。
四旋翼无人机预设性能自适应PID控制
四旋翼无人机预设性能自适应PID控制
王安琪;李俊丽;夏国锋;陈河江
【期刊名称】《控制工程》
【年(卷),期】2024(31)5
【摘要】针对四旋翼飞行器在轨迹跟踪过程中存在建模误差和外界干扰问题,设计了一种双闭环控制系统。
内环姿态环采用自适应PID算法,用滑模算法作为自适应
机制,结合梯度下降法克服传统PID需要手动调节参数的问题,并用RBF神经网络消除滑模控制过程中产生的抖振现象;外环位置环采用预设性能自适应PID算法,即在自适应PID算法的基础上加上预设性能控制,将误差用预设性能函数进行转换,使系统误差能够始终稳定在预设值,实现位置的快速跟踪;最后用Lyapunov函数证明系统的稳定性。
从跟踪的快速性、稳定性和稳态性能方面,由仿真结果对比证明本文
所设计的控制算法有很大的优越性,并能对不同形式的外部扰动表现出强抗干扰性。
【总页数】11页(P865-875)
【作者】王安琪;李俊丽;夏国锋;陈河江
【作者单位】昆明理工大学信息工程与自动化学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
【相关文献】
1.六旋翼植保无人机模糊自适应PID控制
2.四旋翼无人机预设性能非线性PI串级
姿态控制3.四旋翼无人机串级模糊自适应PID控制系统设计4.四旋翼无人机模糊
自适应PID系统设计5.基于MATLAB的四旋翼无人机PID控制和ADRC控制研究
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四旋翼无人飞行器双闭环PID控制器设计
针对 四旋 翼无人飞行器的控制方法研究 ，加拿大
Ｑ ｕ ａ ｎ ｓ ｅ ｒ 公 司开 发 了Ｑ ｂ ａ ｌ １ ． Ｘ ４ 实验 平 台 ，该平 台 由定位摄 像 头 ， 四旋翼 无人 飞行 器 以及 上位 机 组成 。其 中 定位摄
Байду номын сангаас
停 ，保持 转速 相 等 ，升力 之和 增 加或 者减 少 ，无人 机 可 上 升 或者 下 降 ；保持 升力 之和 等 于重 力 ，减 少 （ 增加 ）
Ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ Ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ － ０ １ ３ ４ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ９ （ 下） ． ０ ７
０ 引 言
四旋 翼无 人飞 行器 因其 能 够垂 直起 降 、 自主悬 停 、 可 以侧 飞 、倒 飞等 高机 动 性能 的特 点 ，特 别适 用 于在 复
速 相 等且 升 力 之和 等 于 机 体 重 力 时 ，无 人 机 可 实 现 悬
典型的控制方法有Ｐ Ｉ Ｄ控制 ，线性二次型最优调节控 制 （ Ｌ Ｑ Ｒ）嘲，滑模变结构控制 ，反步控制 和鲁棒控 制哺 等 ，由于控制器 自身的复杂性，大多数都 限于仿真
研 究 ，并未 能真 正用 于实 际系 统 中。
像头用来采集飞行器的位置坐标和姿态角。上位机则可
以通 过Ｍ ＡＴ Ｌ ＡＢ编 写 控 制 算 法 并 生成 可 执 行 程 序通 过
Ｗｉ — Ｆ ｉ 下 载 到 飞 行器 上 ，并 且在 飞行 过程 中把 定 位 摄像 头 采集 到 的飞 行器位 置 坐标 和姿 态 角 实时传 输 到 飞行器 形 成 闭环 】 。 本 文 针对 Ｑ ｂ ａ ｌ ｌ — Ｘ ４ 四旋 翼飞 行器 ，设计 了一种 基 于
(完整word版)动态系统建模仿真_四旋翼建模与控制_实验报告
《动态系统建模仿真实验》四旋翼飞行器仿真—实验报告院（系）3系姓名******学号*********_2013年12月8日1实验内容基于Simulink建立四旋翼飞行器的悬停控制回路，实现飞行器的悬停控制；建立UI界面，能够输入参数并绘制运动轨迹；基于VR Toolbox建立3D动画场景，能够模拟飞行器的运动轨迹。
2实验目的通过在Matlab 环境中对四旋翼飞行器进行系统建模，使掌握以下内容：1、四旋翼飞行器的建模和控制方法2、在Matlab下快速建立虚拟可视化环境的方法。
3实验设备硬件：PC机。
工具软件：操作系统----Windows系列；软件工具----MATLAB 、VR Toolbox 及Simulink。
4实验原理及要求4.1四旋翼飞行器四旋翼飞行器通过四个螺旋桨产生的升力实现飞行，原理与直升机类似。
四个旋翼位于一个几何对称的十字支架前，后，左，右四端，如图 1 所示。
旋翼由电机控制；整个飞行器依靠改变每个电机的转速来实现飞行姿态控制。
图1四旋翼飞行器旋转方向示意图在图 1 中，前端旋翼 1 和后端旋翼 3 逆时针旋转，而左端旋翼 2 和右端的旋翼4 顺时针旋转，以平衡旋翼旋转所产生的反扭转矩。
由此可知，悬停时，四只旋翼的转速应该相等，以相互抵消反扭力矩；同时等量地增大或减小四只旋翼的转速，会引起上升或下降运动；增大某一只旋翼的转速，同时等量地减小同组另一只旋翼的转速，则产生俯仰、横滚运动；增大某一组旋翼的转速，同时等量减小另一组旋翼的转速，将产生偏航运动。
4.2建模分析四旋翼飞行器受力分析,如图 2 所示图2四旋翼飞行器受力分析示意图旋翼机体所受外力和力矩为：重力mg , 机体受到重力沿z w 方向；四个旋翼旋转所产生的升力i F (i= 1 , 2 , 3 , 4)，旋翼升力沿b z 方向；旋翼旋转会产生扭转力矩i M (i= 1 , 2 , 3 , 4)。
i M 垂直于叶片的旋翼平面，与旋转矢量相反。
四旋翼飞行器的建模及控制算法仿真_高燕
参数取值分别为 3 、5 、1 ， 而 kd 的参数取值为 0．1 、2 、1 。 而 angle inversion 模 块 是 对 angle PD 模 块 的 三 个 输 出 进 行 反 解 算 ， 三 个输出是姿态角的实际值 ， 如图 2 所示 。
PID 参数将根据不同时刻三个参数的作用以 及 相 互 之 间 的
多旋翼飞行器因其能够在多种环境下 （ 如室内 、 城市和丛林 等 ） 中执行监视 、 侦察等重要任务 ， 已被引入军事作战中 ； 同时它 还具有巨大的民用前景和商业价值
［1－2］
2
控制器设计 飞 行 控 制 是 四 旋 翼 飞 行 控 制 中 的 关 键 技 术 ［6］， 为 了 达 到 控
， 如我国国内的顺丰 快 递
2 ） 当 e 和 ec 为中等大小时 ， 比例系数应较小些 ， 积分系
基于STM32的微型四旋翼无人机控制系统设计—软件设计
基于STM32的微型四旋翼无人机控制系统设计—软件设计首先，需要实现的是飞行控制算法。
飞行控制算法主要包括姿态估计和控制器设计两个部分。
在姿态估计中，通过加速度计和陀螺仪等传感器获取四旋翼的姿态信息，并使用滤波算法对数据进行处理，得到稳定的姿态角数据。
常用的滤波算法有卡尔曼滤波器和互补滤波器等。
在控制器设计中，根据姿态角数据和期望姿态角数据，设计合适的控制算法，生成四个电机的输出信号，以控制四旋翼的姿态。
常用的控制算法有PID控制器和模糊控制器等。
其次，需要实现的是传感器数据的获取和处理。
四旋翼无人机通常配备加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计等传感器，用于获取飞行状态相关的数据。
通过I2C或SPI等接口将传感器与STM32连接，然后通过相关的驱动程序读取传感器数据。
读取到的数据可以进行校准和滤波等处理，以提高数据的准确性和稳定性。
最后，需要实现的是控制指令的生成和发送。
控制指令的生成主要根据用户输入的期望飞行状态和传感器反馈的实际飞行状态来确定。
例如，用户输入期望的飞行速度和高度等信息，然后通过控制算法和传感器数据计算得到四电机的输出信号，以控制四旋翼实现期望的飞行动作。
生成的控制指令可以通过PWM信号或者CAN总线等方式发送给四旋翼的电调或者电机。
除了上述的基本功能，还可以根据实际需求增加一些辅助功能，如飞行模式切换、状态显示、数据记录和回放等。
这些功能可以通过开发相关的菜单和界面实现，用户可以通过遥控器或者地面站等设备进行相关操作。
总结起来，基于STM32的微型四旋翼无人机控制系统设计软件设计主要包括飞行控制算法的实现、传感器数据的获取和处理、控制指令的生成和发送等几个方面。
通过合理设计和实现上述功能，可以实现四旋翼无人机的稳定飞行和精确控制。
四旋翼飞行器PID控制器的设计
四旋翼飞行器PID控制器的设计引言：1.PID控制器原理：PID控制器是由比例、积分和微分三个控制基元组成的。
其中比例控制器根据偏差的大小调整控制量；积分控制器根据偏差的积累调整控制量；微分控制器根据偏差的变化率调整控制量。
PID控制器根据实际值和期望值的偏差以及偏差变化率和积累量来调整控制量，以达到稳定目标。
2.四旋翼飞行器PID控制器参数调整：PID控制器的性能取决于三个控制基元的参数调整。
参数调整不当会导致飞行器姿态不稳定，甚至发生震荡。
常用的参数调整方法包括手动调整和自适应调整。
手动调整需要通过观察飞行器的响应来调整参数，而自适应调整则是根据系统的动态特性自动调整参数。
3.四旋翼飞行器PID控制器设计步骤：（1）确定控制目标和输入变量：控制目标即所要控制的飞行器姿态或高度，输入变量即传感器测得的实际值。
（2）传感器数据处理：通过传感器获得飞行器姿态或高度相关的信息，并进行滤波和校正，以减小误差。
（3）误差计算：计算实际值与目标值之间的误差，作为PID控制器的输入。
（4）参数调整：根据实际情况选择手动或自适应调整方法，逐步调整PID控制器的参数。
（5）控制量计算：根据误差和PID控制器的参数计算控制量。
（6）控制执行：将控制量传输给四旋翼飞行器的执行机构，使其根据控制量进行相应的动作，以实现飞行器的稳定。
4.PID控制器应用拓展：PID控制器作为一种简单有效的控制方法，广泛应用于四旋翼飞行器以外的许多领域，如汽车、工业控制和机器人等。
在实际应用中，还可以根据具体需求进行改进和优化，比如引入模糊控制或自适应控制等。
结论：四旋翼飞行器PID控制器是实现飞行器姿态和高度控制的关键部件。
通过合适的参数调整和控制策略设计，可以实现飞行器的稳定飞行。
PID 控制器在实际应用中具有广泛的适用性和可拓展性，为飞行器控制提供了一种简单而有效的解决方案。
四旋翼无人机控制系统设计与实现
四旋翼无人机控制系统设计与实现四旋翼无人机是一种结构简单、操作灵活的垂直起降无人机。
首先分析了四旋翼无人机的基本运动原理，然后以APM飞控计算机为核心，结合GPS定位芯片、陀螺仪、加速度计、航向计、无线数据电台等装置，进行了微型四旋翼无人机的系统集成。
分析了包括位置回路和姿态回路的双闭环控制结构的四旋翼无人机的控制逻辑与控制规律。
在进行传感器标定、参数整定等工作的基础上，对无人机进行了综合调试。
最终实现了无人机的稳定可靠飞行，具有良好的姿态控制、轨迹控制能力，各项性能指标符合设计要求。
标签：四旋翼无人机；PID控制；飞行控制；姿态控制；轨迹控制Abstract：The four-rotor unmanned aerial vehicle（UA V）is a kind of vertical take-off and landing UA V with simple structure and flexible operation. In this paper，the basic principle of motion of the four-rotor UA V is analyzed，then the APM flight control computer is used as the core，and the GPS positioning chip，gyroscope，accelerometer，heading meter，wireless data radio and other devices are combined. The system integration of micro quad-rotor unmanned aerial vehicle （UA V）is carried out. The control logic and control law of the four-rotor unmanned aerial vehicle （UA V）with double closed-loop control structure including position loop and attitude loop are analyzed. On the basis of sensor calibration and parameter tuning，the UA V is comprehensively debugged. Finally，the UA V can fly stably and reliably，and it has good attitude control and trajectory control ability，and all the performance indexes meet the requirements of design.Keywords：four rotor UA V；PID control；flight control；attitude control；trajectory control1 概述四旋翼無人机是一种非共轴、多旋翼式无人机，改变四个旋翼产生的升力大小就可以实现姿态稳定及飞行控制，其结构简单，体积较小，且飞行平稳、隐蔽性好，可用于救援搜索、侦查监控、探查航拍等任务，具有重要的研究价值和广阔的应用前景[1]。
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四旋翼无人机建模及其PID控制律设计
时间：2012-10-27 来源：现代电子技术作者：吴成富，刘小齐，袁旭
关键字：PID无人机建模
摘要：文中对四旋翼无人机进行建模与控制。
在建模时采用机理建模和实验测试相结合的方法，尤其是对电机和螺旋桨进行了详细的建模。
首先对所建的模型应用PID进行了姿态角的控制。
在此基础上又对各个方向上的速度进行了PlD 控制。
然后在四旋翼飞机重心进行偏移的情况下进行PID控制，仿真结果表明PID控制律能有效的控制四旋翼无人机在重心偏移情况下的姿态角和速度。
最后为了方便控制加入了控制逻辑。
关键词：四旋翼；建模；PID；控制；重心偏移；控制逻辑
四旋翼无人机是一种具有4个旋翼的飞行器，有X型分布和十字型分布2种。
文中采用的是X型分布的四旋翼，四旋翼无人机只能通过改变旋翼的转速来实现各种运动。
国外对四旋翼无人直升机的研究非常活跃。
加拿大雷克海德大学的Tavebi和McGilvrav证明了使用四旋翼设计可以实现稳定的飞行。
澳大利亚卧龙岗大学的McKerrow对Dragantlyer进行了精确的建模。
目前国外四旋翼无人直升机的研究工作主要集中在以下3个方面：基于惯导的自主飞行、基于视觉的自主飞行和自主飞行器系统。
而国内对四旋翼的研究主要有：西北工业大学、国防科技大学、南京航天航空大学、中国空空导弹研究院第27所、吉林大学、北京科技大学和哈工大等。
大多数的研究方式是理论分析和计算机仿真，提出了很多控制算法。
例如，针对无人机模型的不确定性和非线性设计的 DI／QFT(动态逆／定量反馈理论)控制器，国防科技大学提出的自抗扰控制器可以对小型四旋翼直升机实现姿态增稳控制，还有一些经典的方法比如PID控制等，但是都不能很好地控制四旋翼速度较大的情况。
本文对四旋翼无人机设计了另外一种不同的控制方法即四旋翼的四元数控制律设计，仿真结果表明这种控制方法是一种有效的方法。
尤其是对飞机的飞行速度较大的情况，其能稳定地控制四旋翼达到预期的效果。
1 四旋翼的模型
文中所研究的四旋翼结构属于X型分布，即螺旋桨M1和M4与M2和M3关于X轴对称，螺旋桨M1和M2与M3和M4关于Y轴对称，如图1所示。
对于四旋翼的模型本文主要根据四旋翼的物理机理进行物理建模，并做以下2条假设。
1)四旋翼无人机是绝对的刚体，不考虑其结构和弹性形变，而且机体的重心位置不变，其质量为常数；
2)假设地面为惯性参考系，即假设地面坐标系为惯性坐标系。
利用电子秤测出各个零部件的质量，利用游标卡尺和直尺测出各个零部件的尺寸，应用悬吊法测出其机体的重心。
立机体坐标系并求出四旋翼的转动惯量，对于不规则的物体进行必要的简化和等效，对于螺旋桨的建模忽略了其所受的空气阻力和侧向力矩，只考虑螺旋桨的升力和扭矩。
1．1 四旋翼动力学方程
在机体坐标系下的受力与力矩关系式：
．2 四旋翼无人机动力系统建模
1．2．1 电机动力学模型
其中，JTM为电机的转动惯量，QL为负载扭矩，Q是电机扭矩．V是电机两端电压，I是电机通过的电流，ω是电机转动角速率，Kq，Ra和Ke是电机的特定常数，Kq将电流和扭矩关联，Ra是电机转子的总阻抗，Ke将电机转速关联到电动势。
1．2．2 螺旋桨的模型
文中只考虑螺旋桨沿构造旋转轴的升力T和扭矩Q，忽略其受到的阻力和侧向力矩。
这些力或力矩均与旋翼转速的平方(Ω2)成一定比例关系
其中，CT，CQ分别为旋翼的拉力系数、阻力系数、扭矩系数和侧倾力矩系数，ρ为空气密度，R为桨叶半径，A=πR2浆盘面积。
2 四旋翼无人机PID控制律设计
2．1 四旋翼无人机PID控制结构
文中的主要目的是基于PID的四旋翼控制问题研究，其最终目标是要验证PID能有效的控制四旋翼在没有重心偏移和有重心偏移下情况下的姿态角和速度。
故而首先要对所用的四旋翼飞机进行建模，然后进行控制器的设计，最后进行仿真验证。
2．2 四旋翼无人机PID控制参数和PID控制器结构图
3 实验结果与分析
3．1 在没有重心偏移情况下的控制结果
在没有重心偏移情况下俯仰角和滚转一起控制5度的结果表明pid能有效的控制控制量在很快的时间内达到预期的效果。
在姿态角控制基础上近一步加入速度控制，而且速度控制只是简单的比例控制，实验结果很好。
3．2 重心偏移条件下的控制结果
为了检验PID控制效果，文中对四旋翼的重心进行了偏移，控制结果表明控制量的快速性变差，但是控制依然平滑有效。
4 控制逻辑
为了方便人能更加简单的控制四旋翼，文中加入了控制逻辑。
操作者面北朝南，飞机机头可以在你前方的任意一个方向，操作者只要按自己的方位进行前后左右控制。
公式推导：Vxcmd和Vycmd是操作者控制输入。
首先将速度分解到飞机所在的地轴系下：
最后将速度送入控制器进行控制。
5 结论
PID控制器能有效的控制四旋翼无人机的姿态角和速度，而且当四旋翼的重心发生偏移时，虽然控制的快速性有所下降，但控制效果依然满足要求。