四旋翼飞行器建模、控制与仿真
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。
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
四旋翼飞行仿真器的建模及控制方法的研究的开题报告
四旋翼飞行仿真器的建模及控制方法的研究的开题报告开题报告一、选题背景四旋翼无人机作为无人机中最为常见的一种类型，其应用领域十分广泛，包括但不限于：航拍、物流、救援、搜救等。
为了提高四旋翼无人机的飞行性能和安全性，需要对四旋翼无人机进行控制设计和仿真研究。
本文针对四旋翼无人机的飞行控制问题展开研究，探讨四旋翼无人机的建模与控制方法，以提高其飞行能力和稳定性。
二、研究内容1.四旋翼无人机的建模首先，需要对四旋翼无人机进行建模，抽象出合适的数学模型，建立其动力学关系式，同时选取合适的坐标系和传感器测量参数。
在建模过程中，需要考虑到四旋翼无人机的结构、电机和电调参数、传感器和控制器等综合因素，得到能够描述四旋翼无人机运动规律的数学模型。
2.四旋翼无人机的控制方法研究针对四旋翼无人机进行控制设计，探讨多种控制方法，包括PID控制、自适应控制、模糊控制等，根据四旋翼无人机的实际特点和要求，选择合适的控制方法。
同时，基于所选的控制方法，设计合适的控制算法，对四旋翼无人机进行模拟仿真，考察控制方法对四旋翼飞行的影响。
3.四旋翼无人机的仿真平台创建四旋翼无人机的仿真平台，通过建模和控制方法设计的仿真实验和模拟简化实验，验证仿真模型的准确性，研究不同控制方法的效果。
同时，从仿真中，可以得到更加详细的实验数据，并对其进行分析和处理，得出更有价值的结论。
三、研究意义本文的研究将有助于优化四旋翼无人机的飞控系统，提高飞行控制精度和稳定性，进一步提升飞行安全性，同时推动无人机技术的发展。
同时，基于该研究成果，还可以进一步对其他无人机类型进行研究，为无人机控制和应用提供更加详尽的指导和理论基础。
四、研究方法和步骤1.文献调研和资料收集：查阅相关文献和资料，掌握四旋翼无人机的基本原理、控制方法和应用领域。
2.建模与控制方法的设计：根据所学知识，对四旋翼无人机建立数学模型，探讨控制方法和算法，选择合适的控制方案。
3.仿真程序开发：基于四旋翼无人机的数学模型和控制方法，开发相应的仿真程序，进行模拟实验。
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matlab的四旋翼控制仿真与抗干扰验证
基于matlab的四旋翼控制仿真与抗干扰验证二、四旋翼控制系统建模1. 四旋翼飞行动力学模型四旋翼飞行器由四个相对的旋翼组成，每个旋翼通过改变叶片的转速来产生升力和前进力，因此其飞行动力学模型可以用以下动力学方程描述：\[ \begin{pmatrix} {F} \\ {M_{\phi}} \\ {M_{\theta}} \\ {M_{\psi}} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} {1} & {1} & {1} & {1} \\ {0} & {-l\cos\phi} & {0} & {l\sin\phi} \\ {l\cos\theta} & {0} & {-l\sin\theta} & {0} \\ {-d} & {d} & {-d} & {d} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} {\omega_1^2} \\ {\omega_2^2} \\ {\omega_3^2} \\ {\omega_4^2}\end{pmatrix} \]F 代表合力， M_{\phi} 、 M_{\theta} 、 M_{\psi} 分别代表绕x轴、y轴和z轴的力矩， \phi 、 \theta 、 \psi 分别代表滚转角、俯仰角和偏航角， \omega_1 、\omega_2 、 \omega_3 、 \omega_4 分别代表四个旋翼的转速， l 代表旋翼到质心的距离， d 代表绕旋翼传动轴的摩擦系数。
2. 四旋翼控制系统模型四旋翼控制系统主要包括姿态控制、高度控制和航向控制三个部分。
姿态控制通过控制各个旋翼的转速来实现飞行器的姿态变化，高度控制通过控制总的升力来实现飞行器的高度变化，航向控制通过控制飞行器的偏航角来实现飞行器的航向变化。
四旋翼控制系统模型可以用以下状态空间方程来描述：\[ \dot{x} = Ax + Bu \]x 代表系统的状态变量， u 代表系统的输入变量， A 代表系统的状态矩阵， B 代表系统的输入矩阵。
四轴飞行器建模与仿真
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。
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万方数据
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四旋翼飞行器建模、控制与仿真
作者：杨庆华， 宋召青， 时磊， YANG Qing-hua， SONG Zhao-qing， SHI Lei
作者单位：杨庆华,YANG Qing-hua(海装驻西安地区军事代表局,西安,710054)， 宋召青,SONG Zhao-qing(海军航空工程学院,控制工程系,山东,烟台264001)， 时磊,SHI Lei(防空兵指挥学院
作战指挥系,郑州,450052)
刊名：
海军航空工程学院学报
英文刊名：JOURNAL OF NAVAL AERONAUTICAL ENGINEERING INSTITUTE
年，卷(期)：2009，24(5)
被引用次数：0次
1.张天光.王秀萍.王丽霞捷联惯性导航技术 2007
2.钱杏芳.林瑞雄.赵亚男导弹飞行力学 2006
3.BOUABDELLAH S.SIEGWART R Backstepping and sliding mode techniques applied to an indoor micro quadrotor 2005
4.MOKHTARI A.BENALLEGUE A.BELAIDI A Polynomial linear quadratic Gaussian and sliding mode observer for a quadrotor unmanned aerial vehicle 2005(04)
5.BOUADI H.BOUCHOUCHA M.TADJINE M Sliding Mode Control based on Backstepping 2008(01)
6.BENCHAIB A.BOUDJEMA F.RACHID A Sliding mode flux observer based on backstepping approach for induction motor 1998
1.学位论文周权四旋翼飞行平台飞行控制和惯性导航研究2008
微小型四旋翼飞行器是一种外型新颖，可垂直起降，通过改变四个桨的转速来进行飞行控制的特殊无人机。
但它是一个非线性、多变量、高度耦合的欠驱动（四个PWM输入，六个自由度）系统，在其飞行时，受到气流、重力、陀螺效应和旋翼惯量矩等的影响，因此，要想实现稳定控制是比较困难的。
为了研究四旋翼飞行器的控制规律，本文构建了四旋翼飞行试验平台，就悬停和低速水平飞行状态下的飞行控制和惯性导航进行了探索性研究。
<br>
首先选择合适的材料与元器件，制作了一架四旋翼飞行平台，测试了关键部件的性能。
分别采用合适的试验方案测试转子升力、转速与PWM信号之间的关系，并对单通道进行系留试验，取得了较好的结果。
<br>
本文利用四旋翼飞行平台动力学原理，建立了基于VC++语言仿真的动力学模型。
对飞行平台的高度阶跃响应和水平位移阶跃响应进行了仿真。
根据仿真结果，分析了四个PWM的变化与飞行平台加速度的变化。
根据单通道的受力分析，建立了单通道复数域数学模型。
通过SIMULINK仿真研究，得到了各控制参数对控制系统的影响。
然后将欧拉法应用于惯性导航，并试验验证了欧拉法计算姿态。
简单分析了GPS定位原理与GPS/INS组合导航的方法。
<br> 最后对四旋翼飞行平台进行多次飞行试验，根据试验结果，调整控制参数和改进飞行平台结构，最终取得了初步的飞行成功。
2.学位论文黄牧基于反步法的微型四旋翼无人飞行器非线性自适应控制研究2009
无人机通常指无人驾驶、可以自主飞行或遥控操作、利用空气动力承载飞行并可回收重复使用的飞行器，主要包括固定翼式和旋翼式两类。
<br>
固定翼无人飞行器的技术已经比较成熟，并在实际应用中取得重大成功；和固定翼飞行器相比较，旋翼无人飞行器具有很多优势：比如能够适应各种环境；具备自主起飞和着陆能力，高度智能化：能以悬停、前飞、侧飞和倒飞等各种姿态飞行；但是旋翼无人飞行器因动力学特性远比固定翼飞行器复杂，发展就相对缓慢得多。
近年来，旋翼无人机因其巨大的军用和民用价值，迅速成为控制领域内的研究热点。
<br>
四旋翼无人飞行器是一种常见的旋翼飞行器，其模型具有高度非线性、状态耦合、欠驱动等特点，飞行控制设计比较困难。
本文的主要任务是在分析四旋翼无人飞行器动态特性的基础上，采用反步法结合非线性自适应控制进行控制器设计，使四旋翼飞行器保持稳定的飞行状态，并且位置输出和偏航角能够跟踪期望轨迹；主要内容如下：<br>
第一，本文对四旋翼无人飞行器进行了建模；但是四旋翼无人飞行器动力学特性复杂，空气动力学系数容易变化，系统可能包含未知信息和噪声，所以其动力学模型中存在不确定性；这使控制器的设计变的更加困难。
<br>
第二，本文采用反步法和自适应控制设计控制器，使四旋翼飞行器系统保持了稳定。
为了便于反步设计，本文把四旋翼模型划分为四个子系统；第一个是欠驱动子系统，表示系统关于水平位置，滚动角和偏航角的动力学方程；第二个和第三个是全驱动子系统，表示系统关于偏航角和垂直位置的动力学方程；第四个子系统是关于推进力的动力学方程。
在完成控制设计之后，本文利用基于Lyapunov稳定性理论的分析方法，证明了论文中提出的非线性自适应控制能够保证闭环系统的稳定，并在飞行器质量参数未知条件下，实现了水平位置、垂直位置以及偏航角的渐近稳定轨迹跟踪。
<br>
最后，本文用MATLAB对四旋翼无人飞行器控制系统进行了仿真；仿真结果验证了使用反步法结合自适应控制能够使系统的位置输出和偏航角追踪期望轨迹，同时保持了滚动角和俯仰角的稳定。
<br>
本文的创新之处是设计了基于反步法的自适应控制器，解决了质量未知的情况下四旋翼无人飞行器的轨迹追踪问题，并保证了系统稳定和跟踪误差收敛。
本文链接：/Periodical_hjhkgcxyxb200905006.aspx
授权使用：李建平(wfnchkdx)，授权号：e7083126-c414-4535-9e0d-9e9e00bddb36
下载时间：2011年3月6日。