小型四旋翼无人机建模与控制仿真

第３２卷第１期　２０１３年２月　兰州交通大学学报　ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ＶＯｌＩ　３２　Ｎｏ．１　Ｆｅｂ．２０１３　

文章编号：１００１－４３７３（２０１３）Ｏ１一ＯＯ６３—０５　ＤＯＩ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００１－４３７３．２０１３．０１．０１５　

小型四旋翼无人机建模与控制仿真　

孟佳东，　赵志刚　

（兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州　７３００７０）　

摘要：小型四旋翼无人机是一种具有六个自由度和四个输入的欠驱动强耦合飞行器，四只旋翼对称均匀分布在　十字架结构的四个端点上，仅通过改变四只旋翼的转速即可改变飞行姿态．基于微型四旋翼无人机特有的机械结　构和飞行原理，为提高其飞行性能和控制的稳定性，利用牛顿一欧拉方程，建立小型四旋翼飞行器的非线性动力学　方程，并针对该模型设计一解耦ＰＩＤ四通道控制系统，且在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真平台上，对该ＰＩＤ控制系统进行　仿真．仿真结果表明：通过改变旋翼的转速可实现四旋翼飞行器姿态的控制，同时该非线性模型和ＰＩＤ控制系统为　其后续的四旋翼无人机的控制研究奠定了一定的基础．　关键词：四旋翼无人机；飞行原理；动力学模型；模型仿真　中图分类号：ＴＰ２７３　文献标志码：Ａ　

多年来，无人飞行器自主飞行一直是航空领域　

的研究热点之一．垂直／短距起降飞行器由于不受起　降场地的限制，具有很强的适应性，一直是各国军方　

关注的焦点；在追求垂直／短距起降的同时，增强飞　行器的负载能力也一直是人们追求的目标之一；与　

此同时，研究人员也一直在寻求一种简单高效的飞　行控制模型来提高飞行器的飞行性能．小型四旋翼　无人机与常规的飞行器相比，在垂直／短距起降、负　

载能力和飞行控制原理上都有很强的优越性．加之　近年来，微电子、微机械技术和计算机技术的飞速发　

展，使的小型四旋翼无人机的体积、重量、灵活性和　机动性等多个方面有了很大改观．四旋翼无人机是　

一种具有六个自由度和四个输入的欠驱动飞行器，　

属于旋翼式直升机．与常规飞行器相比，它除了具有　垂直起降、着陆、悬停、纵飞和侧飞等飞行特性以外，　

其在结构上更为简洁；四旋翼飞行器凭借其结构特　点，四只旋翼相互抵消反扭矩，不需要专门的反扭矩　

桨；其具有更简洁的控制方式，仅通过改变四只旋翼　的转速即可实现各种姿态控制［１　］．　

四旋翼无人机新颖的结构、独特的位姿控制方　

式和良好的飞行特性，使其无论是在军事领域还是　民用领域，都有非常广泛的应用价值，因此，四旋翼　

无人机备受国内外很多专家和学者的关注和研究．　小型四旋翼无人机是一种具有多变量、强耦仑　和非线性等特性的复杂系统．在对小型四旋翼无人　

机位姿控制研究时，为了缩短研究周期和研究费用，　对该系统进行建模研究，并对其进行仿真分析．由于　

悬停模式是飞行器的最基本和最关键的飞行姿态，　本文基于悬停模式进行建模，并基于近似扰动观点　建立模型的状态空间方程，在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍ—ｕｌｉｎｋ平　

台上，对模型的悬停模式进行了ＰＩＤ控制仿真．　

１飞行原理　

小型四旋翼无人机在平面结构上其呈十字对称　均匀分布，其四只旋翼（旋翼１、２、３、４）分别位于十　

字架结构的前后左右四个端点上，分为前后、左右两　组，且飞行时两组旋翼的旋转方向正好相反：一组逆　

时针转动（１，３），另一组顺时针转动（２，４）．四旋翼飞　行器的结构简图如图１所示．　

图１　小型四旋翼无人机的结构简图　Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｑｕａｄｒｏｔｏｒ　ＵＡＶ　

由于小型四旋翼无人机特殊的结构，使其仅通　

过调整旋翼的转速，使无人机的４个顶点受力不同，　

收稿日期：２０１２—０５—２Ｏ　作者简介：孟佳东（１９８８一），男，甘肃宁县人，硕士生．主要研究方向为飞行机器人．Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｚｊｉｄｉ

ｓ０７２＠１２６．￣ｏｍ　６４　兰州交通大学学报　第３２卷　

从而改变飞行姿态．其各种姿态控制如下：悬停状态　

时，四只旋翼转速相同，且其升力之和等于直升机自　身重力；垂直上升或下降时、保持四只旋翼转速相同　

且同时等量增加或等量下降；仰俯或滚转运动时，保　持一组旋翼转速不变，另一组旋翼中一只旋翼转速　

增加、另一只旋翼等量下降（仰俯时２、４保持不变，１　增加，３降低；１、３保持不变，４增加，２降低）；偏航运　

动时一组旋翼转速增加，同时另一组转速下降．　

２动力学分析及数学建模　

小型四旋翼无人机的数学模型在其运动学和动　

力学分析的基础上建立的，是飞行控制和仿真的基　础．由于小型四旋翼无人机自身是一个复杂的运动　

学和动力学系统，想要对该系统建立一个准确的数　学模型非常困难．为了建立一个相对准确的数学模　

型，对该系统作如下假设：　１）视小型四旋翼无人机整体为刚体，且完全均　

匀对称；　２）机体坐标原点Ｂ与无人机的质心是完全重　

合的；　３）无人机的螺旋桨为刚体，不考虑其结构和弹　

性形变；　４）假设地面坐标系Ｅ为惯性坐标系．　在上述假设的前提下，为便于建模，选择在悬停　

状态下，对模型进行运动学和动力学分析．为方便小　型四旋翼无人机的运动学和动力学分析，对其进行　

受力分析如图２所示．　

图２小型四旋翼无人机受力图　Ｆｉｇ　２　Ｆｏｒｃｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆｍｉｃｒｏｑｕａｄｒｏｔｏｒＵＡＶ　

结合空气动力学和螺旋桨知识可将螺旋桨的　

推力Ｔ、空气阻力　、螺旋桨的转矩Ｍ和阻力矩ｒ分　

别表示为　

ｆＴ＝Ｋ７　。　｛　Ｍ　。ｃ　１　：Ｋ　。　

ｌｒ—Ｋ　其中：Ｋｒ表示螺旋桨推力系数；　表示螺旋桨的转　

螺旋桨的转矩系数；Ｋ　表示空气的阻力矩系数；｝表　

ｆＦｅ一［　，　，　］　一Ｅｏ，０，Ｕ　］　

｛ｕ　一∑　（２）　Ｉ　竺　

ｓｏ　一　ｓ　＋Ｓ９５ｓ　

Ｒ—ｌ　Ｓ￣ＳＯＣＯ＋　ｓ　一　ｌ　ｌ

—ＳＯ　ｓ　ｃ　（　ｃ　ｊ　

ＦＥ一［Ｒ，Ｆｙ，Ｆ２］　一Ｒ・ＦＢ—　

ｒ（　ｓ　＋　）Ｕ１－１　Ｉ（　ｓ　一Ｓ９ｌｃ　）ｕ１　Ｉ　（４）　

㈣　

【Ｃ，Ｅ一［Ｏ　０　ｍｇ］　

７　［童　］　一ＦＥ一，　—Ｇ　（６）　

是完全均匀对称的，则　、ｋ、Ｊ

　。皆为零．借助于机　第１期　孟佳东等：小型四旋翼无人机建模与控制仿真　６５　

的角加速度［　，　，　］Ｔ．从而得到系统的动力学数　学模型．　

在该动力学模型中（　，　，　，庐，　，　）　是关　

于变量　的数学表达式，即表示无人机的位姿变化　

是由四只旋翼的转速来控制的．　

３　数学模型的简化　

为仿真和控制方便，对该非线性方程进行了简　

化．　

在小角度情况下，［　，ｑ，ｒ］　可近似为［　，　，　

Ｔ，即：　

［　，ｑ，，．］Ｔ一［　，　，　（１ｏ）　

因此，地面坐标系下的角加速度表达式可表示　为　

Ｉ　一Ｉ：　

ｌ　一ｌ　

ｌｚ—ｌ　一Ｋ　］／Ｌ　

一Ｋｄ，Ｏ］／Ｉｙ（１１）　

一Ｋｒｚ　］／Ｊ　由于四旋翼无人机的机械结构是完全均匀对　

称，则认为小型四旋翼无人机在飞行过程中没有受　到扰动力矩的作用，从而可由式（６）和式（１１）可得　

到该系统的非线性数学模型：　＝［（ｏ￣ｓｏｃ￣＋　）　—Ｋ　］／　

＝［（ａ２　一ｓ　ｓ　）Ｕ１一Ｋｎ　］／ｍ　

＝［（Ｇｌ　Ｕｌ—Ｋｚｚ一　］／ｍ　（　—Ｋ　）／Ｌ（１２）　

ｅ（Ｕ３一ＫｃＹＯ）／Ｉ　

（Ｕｔ—Ｋ　）／ｆ　

４　四旋翼无人机Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真　

Ｍａｔｌａｈ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ平台具有强大的仿真功能，可　以对模型进行动态仿真．本文是基于悬停状态建立　

的非线性模型，同时悬停飞行是飞行器主要的飞行　模式之一，作者使用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ平台对模型　

的悬停模式进行了仿真．　小型四旋翼无人机是一个强耦合动力学模型，　

直接对其飞行模式控制，难度比较大．本文在对其悬　停模式进行控制时，为降低控制难度，将该模型进行　解耦，将其分解为对无人机的高度、滚转角、俯仰角　和偏航角四个通道的单独控制［　．　

在实际工作中，存在着多种扰动因素，与速度成　

正比的阻力是其中的一种扰动因素．由于在建模过　程中忽略了其他一些因素，现仅考虑该扰动因素，可　

以使模型更接近于实际情况．将与速度成正比的阻　力看作为一种线性的扰动，则上文得到的非线性模　

型也就可以近似为一个带有线性扰动的非线性模　型，运用状态空间知识可以得到无人机的状态空　间［　］方程如下：　

｛Ｘ一＝ＡＸＹ　ＣＸ：Ｄ　Ｕ　ｌ　一　＋　、　

其中：　

ｘ一（主，　，之，　，　，　，ｇ，　，Ｙ，２，拳，　，　）；　

ｙ一（ｚ，　，　，　）；　Ｕ＝（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４）．　根据上文的状态空间方程和系统传递函数　

Ｇ（ｓ）＝（ｓＩ—Ａ）＿。，Ｂ可计算得到Ｚ轴和姿态传递函　数如下：　Ｇｚ（ｓ）一　ｃｏ　ｓ￣　ｃｏ　ｓ　Ｏ　ｍｓ　十＾＆　

＝＝：丽１　

（１４）　Ｇｏ（ｓ）＝＝：　Ｊ　ｖ　＼　Ｔ』、～／　（　）一丽丽１　・’＼ｄ　Ｉ　Ｊ、盘

，　６６　兰州交通大学学报　第３２卷　

与其他控制方法相比，传统的ＰＩＤ控制具有结　

构简单、易于实现、可靠性高、稳定性好等特点，ＰＩＤ　控制通过调节比例、积分和微分系数即可使系统达　

到较好的稳定性到达预期效果；跟踪控制可以很好　地抑制外部干扰对系统性能的影响．鉴于ＰＩＤ控制　

和跟踪控制方式的优势，结合本文小型四旋翼无人　

机建立的模型，选用ＰＩＤ跟踪控制可以很好地对该　模型的悬停模式进行控制．　基于上文的分析基础，针对该小型四旋翼无人　

机模型的悬停飞行模式设计了四个通道ＰＩＤ跟踪　

控制系统进行控制，控制系统框图如图３所示．　

输　入　量　高度ＰＩＤ控制器　

滚转角ＰＩＤ控制器　

仰俯角ＰＩＤ控制器　

偏航角ＰＩＤ控制器　

输ｍ量　驱　动　装　置　模　型　小型　四旋　翼无　人机　模型　

图３　ＰＩＤ控制系统框图　Ｆｉｇ．３　Ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ　在仿真过程中采用作者实验室所设计的四旋翼　

无人机的相关参数如表１所示：　

表１小型四旋翼无人机的相关参数　Ｔａｂ．１　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆｍｉｃｒｏｑｕａｄｒｏｔｏｒＵＡＶ　

根据上面的控制系统框图在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉ—ｍｕ｜ｉｎｋ　

平台上搭建四旋翼无人机系统仿真模型，利用实验　凑试法整定ＰＩＤ参数，先比例、再积分　后比例，反　

复试凑调试，观察结果，直到得到满意的控制效果，　

其ＰＩＤ参数如表２所示．　表２小型四旋翼无人机的ＰＩＤ参数　Ｔａｂ．２　ＰＩＤｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｏｆｍｉｃｒｏｑｕａｄｒｏｔｏｒＵＡＶ　

其高度和姿态的单位阶跃响应仿真曲线如图４　

所示．　

Ｔ／ｓ　ｄ偏航角　图４高度和姿态角的单位阶跃响应图　Ｆｉｇ．４　Ｕｎｉｔ　ｓｔｅｐ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｆ　ｈｅｉｇｈｔ　ａｎｄ　ａｔｔｉｔｕｄｅ　ｍａｇｌｅ　日　～

０《

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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。

基于FlightGear的四旋翼无人机三维可视仿真系统研究的开题报告

一、研究背景

近年来，无人机技术得到了迅速的发展和广泛的应用。无人机被应用于军事情报、电力巡检、物流配送以及农业植保等领域，并且日益普及。无人机的三维模拟技术是无人机研究的重要技术，可以为无人机研究人员提供一个安全、低成本、高效的平台。因此，开发一种符合人类视觉感受的无人机仿真系统，对于提高无人机的仿真精度和降低研究成本具有重要意义。

二、研究目的

本研究旨在基于FlightGear的四旋翼无人机三维可视仿真系统，设计出一套符合人类视觉感受的无人机飞行仿真实验平台。该平台可以模拟无人机在不同环境下的飞行和操作，主要实现以下几个方面的目标：

1. 基于FlightGear实现无人机的三维可视效果和运动特征的模拟，优化无人机的运动学、动力学、气动学等基本特性；

2. 针对无人机常见的飞行任务（如起飞、降落、悬停、航线飞行、目标搜索等）、传感器数据采集（如图像、视频、激光雷达等）等，实现无人机飞行仿真场景的设计和开发；

3. 开发仿真控制平台，实现无人机遥控器、飞控系统、地面站等传统硬件设备的仿真，用于对无人机的控制系统、传感器、系统应对不同情况下的响应能力和负载能力的研究；

4. 结合虚拟和现实，实现基于虚拟现实的人机交互系统，使操作者在虚拟环境中可以进行真实的无人机飞行控制操作，使得无人机飞行仿真系统更贴近于实际应用场景。

三、研究内容本研究内容主要包括：

1. 无人机仿真系统建模：针对四旋翼无人机，基于FlightGear进行三维场景建模，建立无人机外观、动力学、控制系统等的参数化模型；

2. 无人机飞行控制设计：仿真无人机的控制系统，并使用基于PID控制器、LQR控制器等进行无人机飞行控制；

3. 仿真场景设计：设置不同场景下的无人机飞行仿真场景和任务，包括航迹规划、目标搜索等，同时课重新设计无人机传感器采集数据和处理方法；

新概念垂直起降无人机动力学建模与控制仿真

Vol. 37 No. 6

Dec. 2 0 2 0第37卷第6期

2020年12月沈阳航空航天大学学报

Journal of Shenyang Aerospace University

文章编号：2095 -1248(2020)06 -0020 -08

新概念垂直起降无人机动力学建模与控制仿真

张峻渤2,,杨靖宇22,唐寅峰22

(2.沈阳航空航天大学智能飞行器系统理论与技术实验室，沈阳112126；.沈阳戈达德智能装备

科技有限公司研发部，沈阳112001)

摘要：基于一种新概念垂直起降无人机,推导了无人机的六自由度动力学方程与运动学方

程,建立了无人机的非线性数学模型。其次，基于非线性数学模型并结合全局快速Terminal

滑模控制方法，设计了无人机的高度和姿态控制器，建立了无人机仿真控制系统。仿真结果

表明，与普通滑模控制方法及传统PID方法进行对比，全局快速Termiaal滑模控制方法控制

精度更高,响应速度更快，鲁棒性更好，采用全局快速Terminal滑模控制方法可有效对无人

机的滚转角、俯仰角、偏航角和高度进行精准控制。

关键词：垂直起降无人机；动力学方程;数学模型；全局快速Terminal滑模控制；仿真控制

系统

中图分类号：V275. 2 文献标志码：A

doi: 12. 3965/j. issn. 2095 - 1228. 2022. 06. 003

A new concept of VTOL UAV dynamics modeling and control simulation

ZHANG Jun-bo22,YANG Jing-yu2，,TANG Yin-feng2，

（1. Intelligent aircrae system theory and technology laboratory,Shenyang Aerospace University,Shenyang 112136；

2. Research and Developmed Department,Sheeyang GoOdarC equipment

四旋翼无人机悬停控制设计

| Techniques of Automation & Applications 6《自动化技术与应用》2019年第38卷第4期控制理论与应用Control Theory and Applications四旋翼无人机悬停控制设计许幼成,陈涤非(上海埃威航空电子有限公司,上海 200233)摘要:通过对四旋翼无人机的飞行原理分析,建立了无人机的非线性动力学模型,对模型进行简化和线性化处理后,设计了PD控制器,经仿真验证,该控制器能够实现对四旋翼无人机的高度跟踪控制和姿态稳定控制,且对模型参数摄动具有较好的鲁棒性,满足飞行动态性能需求。关键词:四旋翼无人机;模型简化;姿态稳定;高度跟踪中图分类号:TP273;v279+.2 文献标识码:A 文章编号:1003-7241(2019)04-0006-04Hovering Control Design of Four-rotor UAVXU You-cheng, CHEN Di-fei( Shanghai Advanced Avionics Co., Ltd., Shanghai 200233 China )Abstract: Through the analysis of the flight principle of the Four-rotor UAV, the non-linear dynamic model of the UAV is established. After simplifying and linearizing the model, the PD controller is designed. The simulation results show that the controller can realize the altitude tracking control and attitude stability control of the Four-rotor UAV, and has good robustness to the model parameter perturbation and meets the flight dynamics.Key words: quadrotor; model simplification; attitude stabilization; altitude tracking1 引言微小型四旋翼无人机能够实现垂直起降、悬停等动作,具有固定翼无人机无可比拟的优点,而与常规的大旋翼直升机相比,其结构更为简洁、四个旋翼之间能够相互抵消偏航扭矩,不需要专门的尾翼来抵消扭矩,而且控制方便,通过改变四个旋翼的转速就能实现六个自由度的飞行动作。因此,四旋翼无人机具有体积小、重量轻、机动灵活、噪音小、隐蔽性好等优点,在军事领域和在民用领域,都具有十分广阔的应用前景,尤其随着近年来消费级和工业级无人机技术市场的快速增长,无人机技术得到国内外很多学者和机构都的关注和研究。目前有多种控制算法已应用于四旋翼无人机,如PID控制,LQ最优控制,反演控制,滑膜控制,H∞控制等[1]。比如文献[2]采用了反馈线性化的方法径向姿态和高度控制。文献[3]设计了一种非线性控制器,并分析证明其具有良好的控制效果。文献[4]采用反步法对四旋翼进行控制,但是实际工程中存在高频干扰,导致控制性能不理想。文献[5]设计了一种非线性PID姿态控制器,并验证了该控制器对小角度控制的有效性和对未建模动态的鲁棒性。文献[6]针对复杂非线性系统,利用遗传算法对PID控制参数进行了参数整定。尽管采用非线性控制可以获得较好的仿真效果,但是依赖于准确的模型,而工程实践中常常难以建立精准的动态模型,因此实际控制的效果反而不如线性控制效果好[7]。多旋翼无人机通过调整本体姿态实现空间灵活机动,其中悬停飞行是实现其它飞行动作的基础[8],因此,设计一种简洁稳定且适应性强的控制器是推进无人机大规模应用的重要保障。本文主要针对四旋翼无人机悬停的两个基本方面,即姿态稳定和高度跟踪控制进行了控制算法设计,并进行了仿真验证。2 四旋翼无人机系统建模2.1 四旋翼无人机飞行原理四旋翼无人机的结构及原理示意图如图1所示,4个旋翼电机固联在刚性十字交叉结构支架的末端。旋翼1、收稿日期:2018-03-07Techniques of Automation & Applications |

3D one建模课程之《四旋翼飞行器》

四旋翼飞行器

一、知识点

1.重点：通过精确草图的绘制方式，利用拉伸、组合编辑、阵列等命令实现机身和防护罩模型的制作。

2.难点：熟练使用拉伸、组合编辑、阵列等命令。

二、制作步骤

（一）分析机身结构：

Step 1 机体1个，如下图1-1所示：

图1-1

Step 2 机翼支架4个，如下图1-2所示：

图1-2

（二）机体的制作过程

Step 1 按照下图2-1所示的平面尺寸图绘制出新的草图轮廓。

图2-1

Step 2 草图绘制结束后，退出草图，选择“拉伸”命令，按照下图2-2所示的尺寸进行拉伸，确定后得到实体造型。（注：布尔运算为“基体”）

图2-2

Step

选择下图2-3-1中所示的平面绘制新的草图，草图轮廓的具体尺寸如2-3-2所示：

图2-3-1 图2-3-2

Step 4 草图绘制结束后，退出草图，选择“拉伸”命令，按照下图2-4所示的尺寸进行拉伸，确定后得到实体造型。（注：布尔运算为“加运算”）

图2-4

Step

选择下图2-5-1所示的平面绘制新的草图。草图轮廓的具体尺寸如下图2-5-2所示：

图2-5-1 图2-5-2

Step 6 草图绘制结束后，退出草图，选择“拉伸”命令，按照下图2-6所示的尺寸进行拉伸，确定后得到实体造型。（注：布尔运算为“加运算”）

图2-6

Step 7 按照下图2-7所示的尺寸，对机体模型进行倒角操作。

图2-7

Step 8 机体模型设计完毕，如下图2-8所示：

图2-8

（三）机翼支架的制作过程

Step 1 选择下图3-1-1所示的平面绘制新的草图。草图轮廓的具体尺寸如下图3-1-2所示：

图3-1-1 图3-1-2

Step 2 草图绘制结束后，退出草图，选择“拉伸”命令，按照下图3-2所示的尺寸进行拉伸，确定后得到实体造型。（注：布尔运算为“基体”）

四旋翼飞行器悬停建模及控制

王大鹏;王茂森;戴劲松;徐俊

【期刊名称】《兵工自动化》

【年(卷),期】2017(36)5

【摘要】Quadrotor is developed in recent years with low power

consumption and high maneuverability. It is one kind of UAV with high

military and commercial value. The control model of the quadrotor

hovering can be approximated as a linear and constant under actuated

system with strong coupling. The characteristic value of the state matrix A

of the state space expression is obtained positive real part. It is an

unsteady system. The system is stabilized by quadratic optimal control and

got the quadratic optimal control of certain type virtual power index

reaching minimum value under hovering situation. Matlab is used to

analyze the system and optimize the relevant parameters of the quadratic

optimal control.%四旋翼飞行器是近几年发展起来的具有低功耗、高机动性的一种无人机,具有较高的军用及民用价值.四旋翼飞行器悬停的控制模型可近似为一个线性定常欠驱强耦合系统.通过建模得出的状态空间表达式的状态矩阵A的特征值存在正实部,是一个不稳定系统.由于系统的不稳定利用二次型最优控制对系统进行镇定,同时得到悬停状态下某一虚拟能量指标达到最小值时的二次型最优控制.利用Matlab对系统进行分析及二次型最优控制相关参数的优化.

基于FlightGear的四旋翼无人机半实物仿真系统

图2编辑器JSBSimCommander界面为提高无人机系统的开发效率，本文设计并开发了一种四旋翼无人机半实物仿真系统，系统实现了仿真软件和机载控制器实物的无缝数据交换功能，可以通过修改控制器程序快捷地进行各种飞行控制算法测试和分析，并且具备较逼真的可视化仿真功能。1半实物仿真系统总体结构1．1FlightGear介绍FlightGear是一款著名的跨平台开源飞行模拟软件，不仅以其强大真实的飞行仿真功能吸引了众多的飞行模拟爱好者，而且其具有开放式的程序构架和预留的外部数据输入／输出接口，因此赢得了专业用户的青睐，成为众多科研机构的飞行仿真可视化引擎。Wales大学则在飞控系统仿真中，利用Flightgear软件实现了可化仿真环境；Illinois大学将其用于飞行器飞行结冰过程的仿真可视化研究。1．2仿真系统架构半实物仿真系统主要由无人机仿真模型、飞行控制器和视景仿真显示等部分组成。按照模块化思路对系统的各部分进行设计，总体结构如图1所示。

图1无人机飞行仿真系统结构在该结构中，无人机的运动仿真由两部分实现：一是利用JSBsim和AC3D建立四旋翼无人机的仿真模型；二是利用FlightGear和通信显示程序实现系统。其中飞行控制器根据飞行器航姿和地面站控制指令输出相关计算结果通过通信网络传送到视景显示程序，从而驱动仿真模型实现动态视景飞行显示。系统中飞行控制部分采用真实的四旋翼无人机控制器来实现，通过修改控制器代码改变传感器数据来源和屏蔽电机输出，同时保留飞行控制部分程序不变，从而通过与仿真模型的交互真实反映出无人机的实际程序控制和参数调整效果。视景显示部分则通过流行的飞行模拟软件FlightGear来实现，由于采用UDP网络协议，能够满足大规模数据传送的实时性。2半实物仿真系统的实现2．1飞行动力学模型的构建飞行动力学模型（FDM）是由一组计算飞机物理学特性的方程联合起来，通过输入输出参数计算，从而控制飞机运作的物理模型，比如下降、启动、前行和后退等不同动作。由于运动中的飞行器是一个极其复杂的动力学系统，它的运动特性受到各种因素影响，因此将四旋翼无人机视为具有六个自由度，四个输入控制量的刚体，忽略机体弹性变形和旋转部件影响，在此假设下可得到飞行器非线性六自由度控制方程并对其进行数据求解。FlightGear支持多种动力学模型，本系统使用FlightGear基于FlightGear的四旋翼无人机半实物仿真系统臧皖晋（西安建筑科技大学信息与控制工程学院，陕西西安710055）Hardware－in－the－loopSimulationSystemforQuadrotorUAVBasedonFlightGear摘要：通过构建四旋翼无人机半实物仿真系统，用于无人机飞行控制算法验证和参数调整。该系统以开源的FlightGear飞行模拟仿真软件作为可视化引擎，并结合建模软件AC3D和JSBSim构建视景仿真所需的仿真模型，同时将四旋翼无人机的飞行控制器融入仿真系统之中，实现无人机飞行仿真中飞行姿态、位置和航迹的可视化显示。仿真实验结果表明该仿真系统构造灵活，开发周期短，能够提高无人机系统的开发效率。关键词：四旋翼无人机，FlightGear，半实物仿真，可视化Abstract:AHardware－in－the－loopsimulationsystemforquadrotorunmannedaerialvehicle(UAV)isdesignedinthispaper,whichisusedtomodifythecontrolalgorithmsandadjusttheparameters．ThesystemtakestheopensourceflightsimulationsoftwareFlightGearasavisualengine．Allthesimulationmodelsusedinvisualsimulationareconstructedinsoft-wareAC3DandJSBsim．AndthequadrotorUAVcontrollerisalsoembeddedinthesystem．ThesystemachievesvisualflightsimulationandUAVstates,positionandnavigationpath．Thesimulationresultsshowthatthisflightsimulationsystemisfeasi-ble,validandeconomic．ItcanimprovethedevelopmentefficiencyofUAVsystem．Keywords:quadrotorunmannedaerialvehicle(UAV),FlightGear,hardware－in－the－loopsimulation,visualize基于FlightGear的四旋翼无人机半实物仿真系统12《工业控制计算机》2016年第29卷第8期默认的JSBsim创建飞行动力学模型。JSBsim建立动力学模型的过程就是将飞行器的数学模型和辨识结果写入配置文档。通过分析已有的四旋翼无人机模型软件包得到模型所需的各种参数类型和位置，利用编辑器JSBSimCommander将飞行器实物测量的结果按照要求的格式写入XML文件相应参数位置，完成模型的创建。编辑器界面如图2所示。2．2三维机体模型的设计和导入飞行器三维模型在仿真提供中具有十分重要的作用，模型是否能真实反映仿真实物直接影响仿真效果。本系统使用AC3D软件完成三维飞行器模型的构建。模型主要有三种对象，包括无人机机身、螺旋桨及螺旋桨阴影。构建模型时，由于FlightGear仿真在过程中使用对象名称来控制对象完成相应动作，因此需要为模型对象指定单独的名称。图3是本文使用AC3D制作的四旋翼无人机三维机体模型。

基于LQG控制器的四旋翼无人机姿态控制

第１２卷第３期　２０１３年６月　常州信息职业技术学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖ０Ｌ１２　ＮＯ．３　Ｊａｎ．２０１３　

基于ＬＱＧ控制器的四旋翼无人机姿态控制　

朱雄军　

（江苏宝科电子有限公司　江苏扬州２２５００９）　

摘要：四旋翼无人机是一种性能优良的ＶＴＯＬ（垂直起降）飞行器。以四旋翼无人机作为研究对象，首先根据动力学原理，　对滚转角和俯仰角进行建模，在建模基础上，根据现代控制理论设计ＬＱＧ控制器，并采用ＬＴＲ技术和试验确定二次　

最优控制和卡尔曼滤波器中的参数，通过仿真与飞行实验来验证所设计控制器的性能。结果表明，ＬＱＧ控制器具有　

较好的动静态性能，用它实现四旋翼无人机的姿态控制是切实可行的。　

关键词：四旋翼飞行器；姿态控制；ＬＱＧ／ＬＴＲ；最优控制；卡尔曼滤波器　

中图分类号：Ｖ　２４９　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７２－２４３４（２０１３）０３－００３１－０３　

Ａｔｔｉｔｕｄｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｑｕａｄ－ｒｏｔｏｒ　Ａｉｒｃｒａｆｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＬＱＧ　

ＺＨＵ　Ｘｉｏｎｇ－ｊｕｎ　

（Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｂａｏｋｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｙａｎｇｚｈｏｕ　２２５００９，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓａａｃｔ：Ｑｕａｄ－ｒｏｔｏｒ　ＵＡＶ　ｉｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆＶＴＯＬ（ｖｅｒｔｉｃａｌｔａｋｅ—ｏｆｆａｎｄ　ｈｎｄｉｎｇ）ａｉｒｃｒａｆｔ　ｗｉｔｈ　ｇｏｏｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｑｕａｄ－ｒｏｔｏｒ　ａｉｒｃｒａｆｔ　ｉｓⅡｌａ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｒｏｌｌ　ａｎｇｌｅ　ａｎｄｐｉｔｃｈ　ａｎｇｌｅ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏ　ｔｈｅ　ｐｍｅ￣ｌｅ　ｏｆｄｙｎａｍｉｃｓ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｉｓ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｍ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅｏｒｙ，ＬＴＲ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｋｎｅｎｔｓ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒｍｈｅ　ｔｈｅ　ｑｕａｄｒａｔｉｃ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｃｏｎ－　

基于JSBsim的小型无人机飞行控制仿真系统.doc

基于JSBsim的小型无人机飞行控制仿真系统

【摘要】针对传统飞机动力学模型通用性差、代码执行效率低的问

题。综合JSBSim、MATLAB软件的优点，提出基于某小型无人机的飞行仿真系统。新设计的系统具有通用性强、运行速度快、易操作性、数据精度

高、便于二次开发等优点。

【关键词】无人机建模 JSBSim MATLAB 飞行控制

1 引言常规的无人机建模通常是基于Matlab/Simulink的建模存在模型通用

性差、开发效率低等问题。使用JSBSim建模时，只需重新配置XML格式

的模型规格文件，就可以实现对不同机型的仿真，同时可以将研究集中在控制律设计。

由于JSBSim飞控模块相对有限，无法实现某些控制算法。基于模块化设计思想，分别利用JSBSim软件建立了飞行动力学模块、MATLAB软件

设计了飞行控制模块，为飞行品质的评估提供仿真平台。

2 可视化飞行仿真系统设计本文采用模块化的设计思想完成了仿真平台的搭建。由于飞机系统是

一个非常复杂的系统，因而研制全新的仿真无人机系统将是一个非常复杂的过程。

首先，采用JSBSim软件完成对某型无人机气动力的建模；其次，采

用MATLAB与C++混合编程技术，编写C++MEX S函数模块实现了对JSBSim软件的调用和数据通信；再次，在MATLAB环境中设计有效的飞行控制系

统。 3 基于JSBsim的无人机建模

JSBSim是一个开源的、支持多平台的、由数据驱动的飞行动力学模型框架。由C++语言编写，能够支持各类型的航空器仿真模型。本文基于开

放的JSBSim-XML标准，利用XML技术实现对运输机灵活的建模。

对于JSBsim的建模，其模型为xml的配置方式实现，可以用JSBSimCommander辅助对xml文件进行配置，包括飞机外形、质量、发动

机参数、推进系统、空气动力系数等，完成模型的建立。 4 Simulink飞行仿真平台搭建

在MATLAB/Simulink平台下，通过编写S函数运行JSBSim程序，对

微小型四旋翼无人直升机建模及控制方法研究

国防科学技术大学研究生院学位论文

第i页目录

摘要.....................................................................I

ABSTRACT................................................................II

第一章绪论................................................................1

§1.1课题背景.........................................................................................................................1

§1.2国内外研究现状.............................................................................................................1

§1.3本课题研究的科学意义与应用前景.............................................................................2

§1.4本文的主要内容.............................................................................................................3

第二章微小型四旋翼无人直升机建模...........................................4

§2.1引言.................................................................................................................................4

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