四轴飞行器建模与仿真
基于LabVIEW的四旋翼飞行器建模与控制仿真
基于LabVIEW的四旋翼飞行器建模与控制仿真彭斌;陈玮【期刊名称】《工业控制计算机》【年(卷),期】2015(000)011【摘要】通过分析四旋翼飞行器特有的机械结构和飞行原理，利用牛顿－欧拉方程，建立了四旋翼飞行器的数学模型。
使用LabVIEW控制与仿真模块建立了动态数学模型，并以四个旋翼转速作为控制量，针对该模型在悬停状态时设计了一解耦PID四通道控制器分别对高度、俯仰角、横滚角和偏航角控制，在LabVIEW中进行了相应的仿真。
仿真结果表明，在经过反复试凑所设定的PID参数下，控制器能够很好地跟踪高度和各姿态角的期望值，所采用的控制方法具有可行性。
所述仿真方法简易可行，为可扩展的半物理仿真提供了有力的软件保障。
%By analyzing the unique mechanical structure and flight principle of thequadrotor,Newton-Euler equation is used to establish the mathematic model of the quadrotor.The control and simulation module of LabVIEW is used to build the dynamic mathematic model,and the rotate speed of four propel er of the quadrotr is taken as control input.A decoupling PID four-channel control system is designed to control height,pitch angle,rol angle and yaw angle respectively according to the model in hover situation.At last the relevant simulation is accomplished.【总页数】3页(P68-69,73)【作者】彭斌;陈玮【作者单位】广东工业大学自动化学院，广东广州 510006;广东工业大学自动化学院，广东广州 510006【正文语种】中文【相关文献】1.基于LabVIEW的四旋翼飞行器姿态测量实验系统 [J], 卢艳军;吴金宇2.基于Adams与Matlab的四旋翼飞行器控制仿真 [J], 胡锦添;舒怀林3.四旋翼飞行器的建模与控制仿真 [J], 李仲德;刘恒山4.基于LabVIEW的一级倒立摆LQR控制仿真设计 [J], 刘群铭; 兰育飞; 史颖刚5.基于LabVIEW的四旋翼飞行器姿态监测系统设计 [J], 谢檬;南洋因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
四轴飞行器动力学分析与建模
四轴飞行器动力学分析与建模四轴飞行器主要由机架、动力系统、控制系统和传感器系统组成。
机架是整个飞行器的骨架，负责承载各个部件。
动力系统由四个电动马达和四个螺旋桨组成，电动马达通过转动螺旋桨产生升力和推力。
控制系统负责控制飞行器的飞行姿态以及飞行方向。
传感器系统用于获取飞行器的姿态和位置信息。
首先是力学分析。
在飞行过程中，四个螺旋桨产生的升力和推力需要平衡飞行器的重力。
根据牛顿第二定律，可以建立四轴飞行器的运动方程。
假设四轴飞行器在三维空间中的位置为(x, y, z)，速度为(vx, vy, vz)，质量为m。
则四轴飞行器所受到的合力可以表示为：F = mg - Tm是飞行器的质量，g是重力加速度，T是螺旋桨产生的合力。
根据牛顿第二定律，可以得到四轴飞行器的加速度方程为：a = (mg - T) / m其次是电机模型。
电机模型主要描述电动马达的输出特性。
通常情况下，电动马达的输出转矩与输入电流之间存在一定的关系。
可以使用简化的转矩模型来描述电动马达的输出。
假设电动马达的转矩为Tm，电流为I，转矩模型可以表示为：Tm=k1*I其中k1为电动马达的参数。
接下来是姿态稳定。
四轴飞行器的姿态稳定是实现飞行器平稳飞行的重要问题。
姿态稳定的关键在于对飞行器角度的控制。
通过使用陀螺仪、加速度计和磁力计等传感器获取飞行器的姿态信息，并通过控制系统对飞行器的姿态进行控制。
姿态稳定算法可以根据飞行器的姿态误差来计算所需的控制指令，进而控制飞行器的电动马达来实现姿态的调整。
最后是运动控制。
运动控制主要涉及到飞行器的位置和速度控制。
通常情况下，可以使用位置式控制和速度式控制来实现飞行器的运动控制。
在位置式控制中，通过计算飞行器的位置误差来产生相应的控制指令，控制飞行器的电动马达来实现位置的调整。
在速度式控制中，通过计算飞行器的速度误差来产生相应的控制指令，控制飞行器的电动马达来实现速度的调整。
综上所述，四轴飞行器的动力学分析与建模主要涉及到力学分析、电机模型、姿态稳定和运动控制等方面。
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
四轴飞行器运动控制系统设计和仿真
四轴飞行器运动控制系统设计和仿真随着科技的发展，四轴飞行器这种机器在日常生活中变得越来越常见。
从无人机的航拍、救援到消防，四轴飞行器的应用越来越广泛。
但是，控制飞行器的姿态和运动依然是一个挑战。
这里将对四轴飞行器的运动控制系统进行设计和仿真。
1. 系统分析先对四轴飞行器进行简单的系统分析。
四轴飞行器有四个电机，每个电机都有一个螺旋桨。
通过改变电机的转速和螺旋桨的旋转方向，可以控制飞行器的姿态和运动。
四轴飞行器有三个自由度的旋转运动，分别是偏航、俯仰和横滚，还有三个自由度的平移运动，分别是上下、左右和前后。
控制这些运动需要一个运动控制系统。
运动控制系统分为两部分：飞行器的传感器和飞行控制器。
传感器用于测量飞行器的状态，例如角速度、角度和线性加速度等。
飞行控制器根据传感器的数据进行控制，以达到控制飞行器运动的目的。
2. 控制算法运动控制系统的重点在于控制算法。
幸运的是，我们可以使用开源的四轴飞行控制器（例如 Pixhawk 和 APM）来控制飞行器。
这些控制器具有成熟的控制算法，可实现飞行器的稳定飞行和自动飞行。
在四轴飞行器的运动控制中，最重要的算法是控制飞行器的姿态。
姿态控制是通过测量三个轴上的角度和角速度实现的。
姿态控制经常使用 PID 控制器。
PID 控制器使用比例、积分和微分三个控制项来控制飞行器的姿态。
3. 系统设计接下来，我们将设计一个四轴飞行器的运动控制系统。
这里主要讨论的是控制器的硬件和软件设计。
3.1 硬件设计飞行控制器通常使用 Arduino 或者其他类似的微控制器。
这些微控制器轻便、可编程并且能够进行必要的计算。
除了微控制器，飞行控制器还应该包含其他必要的硬件，例如传感器、接收器和电池等。
传感器是测量飞行器状态的重要组成部分。
飞行器通常使用加速度计、陀螺仪和罗盘。
加速度计可以测量飞行器在三个轴上的线性加速度，陀螺仪可以测量飞行器在三个轴上的角速度，罗盘可以测量飞行器的方向。
接收器则负责接收运动控制器发出的指令，例如俯仰、横滚和油门等。
四旋翼飞行器姿态控制建模与仿真
1四旋翼飞行器动力学模型的建立
1.1四旋翼飞行器受力分析
对于飞行器的每个旋翼,剖面呈非对称,一旦
旋翼旋转，由于 面空 速比 面快，故上
面受到的空气压力小于 面，
面受到
的压差形成升力，如图1所示。旋翼1、3逆时针
旋转，旋翼2、4顺时针旋转［叶素动量理
论可知，每个旋翼产生的升力*与电机转速！
的平方成正比，即*=+ !('1，2，3，4%，其中+
，
用受
&
[ 5 ]针对传统的离
线性 模 用于四旋翼飞行器控制
、响速度慢、
时间收敛等问题，提
了干扰观测器补偿的
终端滑模控
制，使响应时间更快、 效 更理想、鲁棒性更
强。
[6 ]利用线性扩张状态观测器对四旋翼
飞行器内部不确定干扰和外部干扰进行实时估
计， 采取线性状态反馈控制对扰动的估计值
行在线补偿,以实现四旋翼飞行器的姿态控制。
Abstract: Quadotoo aircraOt was a typOal under-actuated，nonlineat，and strongly coupled system. De attitude control accuracy and anti-disturbanco problem were always research hotspots. In ordet to realize the attitude control of small and low-cost quadotor aircraa，the fores of the quadotor aircraa was analyzed in detait. The nonlinear dynamic model of the quadrotoo was established by using the Newton-Eulerian equation. Aiming at the fact that the quadrotoo aircraft often encountered uncertain extemae disturbances such as gusts and airflow during the actual flight， a PID contollei1 based on small dmturbances was designed. The simulation test and osuW analysis of the MATLAB/Simulink simulation modds of pitch， roH and yzw channels show that the designed contoe algorithm can meet the attitude contml oquiomentr of quadotor aiooy and has better anti-disturbanco peOormanco.
基于单片机的四轴飞行器设计及仿真
摘要四轴飞行器具备飞行器的所有优点，又具备无人机的造价低、可重复性强以及事故代价低等特点，具有广阔的应用前景。
可应用于军事上的地面战场侦查和监视，获取不易获取的情报。
能执行禁飞区巡逻和近距离空中支持等特殊任务，可应对现代电子战、实现通信中继等现代战争模式。
在民用方面可用于灾后搜救、城市交通巡逻与目标跟踪等诸多方面。
工业上可以用在平安巡捡，大型化工现场等人工不容易到达的空间作业。
因此，四轴飞行器的研究意义重大。
本文主要讨论四轴飞行器的设计实现、建模分析与控制器设计。
首先从历史的角度介绍小型四轴飞行器的开展现状，引入现代四轴飞行器的研究，以及运用现代控制理论进展的研究方法和取得的结果。
其次是给出本次毕业设计的四轴飞行器样机模型与飞行控制器电路设计。
文中着重从机械构造与飞行控制器硬件电路设计方面论述四轴飞行器的设计。
文中详细分析了机械构造设计中的元器件选型，实现了一个切实可用，能满足应用研究的四轴飞行器模型。
之后分析四轴飞行器的飞行控制原理，在此根底上进展动力学分析，建立四轴飞行器的动力学模型。
通过软件设计实现飞行控制器方案，并通过protues软件践行模拟仿真以讨论其可行性。
关键词：四轴飞行器；单片机；飞行控制器；无人机ABSTRACT TheKeywords:Four aircraft; SCM; Flight controller; UAV目录1.绪论 (1)1.1国外研究现状 (1)1.2本文研究目的及意义 (2)1.3本文的主要容 (3)2.机械构造设计 (4)2.1元器件的选择 (4)2.1.1四轴飞行器根本工作原理 (4)2.1.2旋翼和机架确实定 (5)2.1.3其他小部件的选择 (5)2.2电机 (6)2.3总体构造 (7)3.硬件设计 (10)3.1概述 (11)3.2硬件电路的设计与选型 (11)3.2.1飞行控制系统构造 (11)3.2.2单片机选型及介绍 (12)3.2.3电机驱动电路 (14)3.2.4无线通讯与遥控 (17)3.2.5电源电路设计 (18)3.3 硬件局部整体电路图 (19)4.软件设计及调试分析 (20)4.1PWM调速原理分析 (20)4.2调速局部设计及分析 (22)4.3红外遥控系统的程序设计 (26)4.3.1红外发射局部 (26)4.3.2红外接收局部 (28)4.3.3键盘设计 (31)5. 调试分析 (33)5.1 Protues简介 (33)5.2调试结果分析 (37)完毕语 (38)致 (39)参考文献 (40)附录A：外文原文 (41)附录B：中文翻译 (51)附录C：程序源代码 (55)1 绪论1.1国外研究现状四轴飞行器是无人飞行器的一种，也就是智能机器人，四轴指飞行器的动力是由四个旋翼式的飞行引擎提供。
动态系统建模(四旋翼飞行器仿真)实验报告-
动态系统建模（四旋翼飞行器仿真）实验报告:动态系统建模（四旋翼飞行器仿真）实验报告院（系）名称大飞机班学号学生姓名任课教师2021年 _月四旋翼飞行器的建模与仿真一、实验原理 I．四旋翼飞行器简介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1-1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。
在图1-1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。
图1-1 四旋翼飞行器旋翼旋转方向示意图从动力学角度分析，四旋翼飞行器系统本身是不稳定的，因此，使系统稳定的控制算法的设计显得尤为关键。
由于四旋翼飞行器为六自由度的系统（三个角位移量，三个线位移量），而其控制量只有四个（4 个旋翼的转速），这就意味着被控量之间存在耦合关系。
因此，控制算法应能够对这种欠驱动（under-actuated）系统足够有效，用四个控制量对三个角位移量和三个线位移量进行稳态控制。
本实验针对四旋翼飞行器的悬浮飞行状态进行建模。
II．飞行器受力分析及运动模型（1）整体分析如图1-2所示，四旋翼飞行器所受外力和力矩为：Ø重力mg，机体受到重力沿-Zw方向Ø四个旋翼旋转所产生的升力Fi(i=1,2,3,4)，旋翼升力沿ZB方向Ø旋翼旋转会产生扭转力矩Mi (i=1,2,3,4)， Mi垂直于叶片的旋翼平面，与旋转矢量相反。
图1-2 四旋翼飞行器受力分析（2）电机模型Ø力模型（1.1）旋翼通过螺旋桨产生升力。
四旋翼飞行器建模与仿真Matlab.
四轴飞行器的建模与仿真摘要四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的多旋翼飞行器,它非常适合近地侦察、监视的任务,具有广泛的军事和民事应用前景。
本文根据对四旋翼飞行器的机架结构和动力学特性做详尽的分析和研究,在此基础上建立四旋翼飞行器的动力学模型。
四旋翼飞行器有各种的运行状态,比如:爬升、下降、悬停、滚转运动、俯仰运动、偏航运动等。
本文采用动力学模型来描述四旋翼飞行器的飞行姿态。
在上述研究和分析的基础上,进行飞行器的建模。
动力学建模是通过对飞行器的飞行原理和各种运动状态下的受力关系以及参考牛顿-欧拉模型建立的仿真模型，模型建立后在Matlab/simulink软件中进行仿真。
关键字:四旋翼飞行器,动力学模型，Matlab/simulinkModeling and Simulating for a quad-rotoraircraftABSTRACTThe quad-rotor is a VTOL multi-rotor aircraft. It is very fit for the kind of reconnaissance mission and monitoring task of near-Earth, so it can be used in a wide range of military and civilian applications. In the dissertation, the detailed analysis and research on the rack structure and dynamic characteristics of the laboratory four-rotor aircraft is showed in the dissertation. The dynamic model of the four-rotor aircraft areestablished. It also studies on the force in the four-rotor aircraft flight principles and course of the campaign to make the research and analysis. The four-rotor aircraft has many operating status, such as climbing, downing, hovering and rolling movement, pitching movement and yawing movement. The dynamic model is used to describe the four-rotor aircraft in flight in the dissertation. On the basis of the above analysis, modeling of the aircraft can be made. Dynamics modeling is to build models under the principles of flight of the aircraft and a variety of state of motion, and Newton - Euler model with reference to the four-rotor aircraft.Then the simulation is done in the software of Matlab/simulink.Keywords: Quad-rotor，The dynamic mode, Matlab/simulink目录一．引言 (1)1.1 简介 (1)1.2研究背景 (2)1.3目标和内容 (2)二．飞行器建模 (2)2.1 机体质心运动模型 (2)2.2 机体角运动模型 (4)三．仿真与分析 (6)3.1仿真平台和参数选取 (6)3.2仿真过程 (8)3.2.1飞行器的升降运动仿真 (8)3.2.2飞行器的滚转运动仿真 (9)3.2.3飞行器的俯仰运动仿真 (9)3.2.4飞行器的偏航运动 (10)3.3 仿真结果分析 (11)四．结论 (12)参考文献 (13)一．引言1.1 简介四旋翼飞行器也称为四轴飞行器，是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器，可以实现各种的运行状态,如:爬升、下降、悬停、滚转运动、俯仰运动、偏航运动等四旋翼飞行器是一种无人机，无人机和有人飞机比较,具有体积相对较小,造价也比载人机低很多,使用非常的方便,在各种复杂的作战环境都可以进行作战等优点。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
飞行器建模
•
取机体坐标系的一组标准正交基为
r (b1
,
r b2
,
r b3
)，T 惯性坐标系的
一组标准正交基为
r (i,
r j,
r k
)T
，则两个坐标系之间的转换矩阵
为
cos cos cos sin sin cos sin cos sin sin
P
CxCyCz
sin
cos
sin sin sin
sin
4
&y& Ktwi2(sin sin cos sin cos ) / m
(3)
i1
4
&z& Ktwi2(cos cos) / m g i1
这就是质心运动的数学模型
2.2 机体角运动模型
• 由质心运动的角动量定理
uur M
d
uur H
dt
• 将上式在机体坐标系上表示，则有相对导数：
uur
uur M
sin
cos
sin
cos
sin cos sin
cos cos
即两个坐标系间向量的变换为：
r
r
b1 i
r r
b2 P j
r r b3 k
2.1 质心运动模型
• 机体所受外力为： 重力G , 重力沿OZ负方向； 四个旋翼 旋转所产生的升力F i(i= 1 , 2 , 3 , 4)，旋翼升力沿oz方向
d
H
ur uur H
dt
b
（4）
2.2 机体角运动模型
• 由于
uur uur uur M M1M2
• 其中：H是动量矩，M为飞行器所受合外力矩，M1是升 力产生的力矩，M2是空气阻力对螺旋桨产生的力矩， 且 M 2i K，di2 Kd为阻力矩系数，Wi为相应电机转速。
所以有：
uur 4 ur uur
• 旋翼旋转会产生扭转力矩Mi (i= 1 , 2 , 3 , 4)。Mi垂直于 叶片的旋翼平面，与旋转矢量相反。
2.1 质心运动模型
• 由牛顿第二定律对飞行器进行动力学分析有：
ur F
r ma
m
r dv
m
d2
r r
dt dt2
(1)
ur
F
(
i4 i 1
Fi
ur )e3
r mg k
m
d2 dt 2
&z Kd (12 22 32 42 ) (J x J y )xy J z
（7）
机体角运动模型
• 由欧拉动力学方程
x ＝ y
&sin sin &cos sin
r
r
M 1 ri Fi l(F3 F1)b2 l(F4 F2 )b1
i1
uur
ur
M 2 Kd (12 22 32 42 )b3
2.2 机体角运动模型
• 两式相加可得：
uur M
uuur M1
uuur M2
r (b1,
r b2
,
r b3
)
l(F4 F2 ) l(F3 F1)
四旋翼飞行器建模与仿真
一.简介
四旋翼飞行器也称为四轴飞行器，是一种有4个螺旋桨且 螺旋桨呈十字形交叉的飞行器，可以实现各种的运行状态, 如:爬升、下降、悬停、滚转运动、俯仰运动、偏航运动等
二．飞行器建模
• 对飞行器做动力学建模，为了得到飞行器的数学模型，首 先建立两个坐标系：惯性坐标系和机体坐标系。如下图 （1）所示
r (b1,
r b2
,
r b3
)
l(F4 F2) l(F3 F1)
Jz&z (J y Jx )xz
Kd (12 22 32 42 )
机体角运动模型
• 由向量对应元素相等可得：
&x l(F4 F2 ) (Jz J y )yz Jx
&y l(F3 F1) (Jz Jx )xz J y
cos cos
• 代入到式（2）有：
i4 r
( Fi) i
r j
r k
cos sin
sin sin
cos sin sin cos sin cos
mg
r k
m
r i
r j
r k
&x& &y&
i1
cos cos
&z&
2.1 质心运动模型
• 由矩阵对应元素相等，得：
4
&x& Ktwi2(cos sin cos sin sin) / m i1
• 惯性坐标系E(OXYZ)相对于地球表面不动,取“东北天”建 立该坐标系。
飞行器建模
• 机体坐标系B（oxyz）系与飞行器固连,原点o为飞行器重 心、质心，,横轴ox指向1号电机,规定此方向为正方向。纵 轴oy指向4号电机。立轴oz垂直于oxy,符合右手法则,正方 向垂直Oxy向上。
飞行器建模
r r
m
r i
r j
r k
&x& &y&
&z&
(2)
• 其中，F为作用在四旋翼飞行器上的外力和，m为飞行器 的质量，v为飞行速度，Fi是单个旋翼的升力，wi为机翼 转速
2.1 质心运动模型
• 由变换矩阵P知:
ur r b3 i
r j
r k
cos sin
sin sin
cos cos
sin sin sin cos
Kd (12 22 32 42 )
（5）
• 又由于飞行器为对称的刚体，所以其惯性力矩为一对角阵，
即：
Jx 0 0
J
0
Jy
0
0 0 J z
• 飞行器的角动量矩为：
uur H
r (b1,
r b2
,
r b3 )
J J
xx yy
Jzz dH dt
b
ur
飞行器建模
• 滚转角φ表示为机体坐标系的轴与包含飞行器纵轴oz′ 的铅垂平面的夹角，由飞行器尾部顺纵轴前视，若oz′轴 位于铅垂面的右侧（即飞行器向右倾斜），则φ为正，反 之为负；
• 俯仰角θ表示为飞行器的纵轴()oz′与水平面OXY间的夹 角，飞行器纵轴指向水平面上方，θ角为正，反之为负；
• 偏航角ψ为飞行器纵轴在水平面内投影与地面系OX轴 之间的夹角，迎ψ角平面观察，若由OX转至投影线是逆时 针旋转，则ψ角为正，反之为负。如下图（2）所示
uur H
r (b1,
r b2
r ,b3
)
J J
x&x y&y
Jz&z
(Jz (Jx (J y
Jy Jz Jx
)yz )xz )xz
（6）
• 将（5）式和（6）式代入式（4）可得：
r (b1
,
r b
2
,
r b3
)
J J
x&x y&y
(Jz (Jx
Jy Jz
)yz )xz
• 为了建立飞行器的动力学模型，不失一般性，对四旋翼飞行器做出如 下假设：
• 1，四旋翼飞行器主均匀对称的刚体；
• 2，机体坐标系的原点与飞行器几何中心及质心位于同一位置；
• 3，四旋翼飞行器所受阻力和重力不受飞行高度等因素影响，总保持 不变；
• 4，四旋翼飞行器各个方向的拉力与推进器转速的平方成正比