四旋翼直升机姿态控制设计.

1、四旋翼直升机姿态控制设计四旋翼直升机的基本工作原理四旋翼直升机的基本工作原理 当前旋翼和尾旋翼顺时针旋转，左旋翼和右旋翼逆时针旋转，并且四个旋翼转速一致，产生的升力之和等于直升机自重时，直升机可以实现静态悬停。如果产生的升力同时增加和减少，那么四旋翼直升机可以实现上升或者下降。 当前旋翼和尾旋翼加速且左旋翼和右旋翼减速，同时四个旋翼产生的升力和直升机自重相等时，由于存在扭矩差，可导致直升机的偏航运动。 当前旋翼加速，尾旋翼减速而左旋翼和右旋翼的旋转速度保持不变时，四旋翼直升机可以实现X轴的滚转运动，即俯仰运动。同理，也可实现Y轴的滚转运动，即滚转运动。飞行器姿态控制飞行器姿态控制控制控制设计设

2、计parametermglbkValue0.4689.810.225unitsKgm四旋翼直升机设计的参数如下：选择参考信号为0度，利用所设计的姿态控制律进行仿真控制： （1）姿态角 经观察，当在t=9.1s的时刻，三个角度趋于稳定，接近0度。 012345678910-0.04-0.03-0.02-0.0100.010.020.030.040.050.06时间 (seconds)data时序图: （2）姿态角速度： 分析：姿态角速度，基本在t=1.7s趋于稳定。012345678910-2-101234时间 (seconds)data时序图: （3）姿态角加速度 分析：由加速度的动态变化图分

3、析，三个姿态角的加速度几乎迅速趋于0，稳定性好，但是在初始处出现突变峰值。012345678910-800-600-400-2000200400600800时间 (seconds)data时序图: (1)姿态角分析：当在t=8.2s的时刻，三个角度趋于稳定，接近0.3rad，且变化同步。与0阶跃的连续信号相比，趋于稳定的时间变短，但峰值变化相比较大。选择俯仰角，横滚角和偏航角的参考信号为幅度20度的阶跃信号0246810-0.100.10.20.30.40.50.6时间 (seconds)data时序图: （2）姿态角速度 分析：当在t=1.7s的时刻，三个角度趋于稳定，接近0度。 可以看出，

4、趋于稳定的速度与参考信号为0幅值的信号相比，几乎一样。但是在初始阶段会出现突变峰值。0246810-2-101234时间 (seconds)data时序图: （3）姿态角加速度分析：三个姿态角在大约0.5s的时刻，会出现一个峰值，这是极不稳定的情况，要尽量避免此类峰值。0246810-800-600-400-2000200400600800时间 (seconds)data时序图: （1）姿态角 分析：输入参考信号为幅度20的正弦信号，由角度信号知,大约在t=3.2s时刻，输出角度跟踪上了输入参考信号。但是相位角不同步。选择俯仰角，横滚角和偏航角的参考信号为幅度20度的正弦参考信号0123456

5、78910-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8时间 (seconds)data时序图: （2）姿态角速度 分析：在接近0的时刻，三个姿态角均出现幅值大幅度变化的情况。但是只在t=0一瞬间，可以忽略。随后，在t=1.2s左右，达到稳定，但是相位不同步。012345678910-2-1012345时间 (seconds)data时序图: （3）姿态角加速度 分析：由角加速度的时序图得知，在t=0s的瞬间，存在一个幅度较大的脉冲信号，之后很快趋于0.012345678910-600-400-200020040060080010001200时间 (seconds)data时序图:

6、根据系统输出的每个时刻飞行器的角度，角速度，角度跟踪误差，控制输入绘制二维曲线图。 (1)姿态角012345678910-1.5-1-0.500.511.5时间 (seconds)data时序图: faithetpfai012345678910-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8时间 (seconds)data时序图:012345678910-0.100.10.20.30.40.50.6时间 (seconds)data时序图: faithetpfai分析:通过比较12，得出，在增大幅值，改变相角后，对飞行角度的影响没有质上的差距，仅仅是相应的幅值增大，相角改变。通过比较2

7、3得出，姿态角趋于稳定的时间不同，对比知，幅值为20度的阶跃信号趋于稳定的速度比正弦信号慢。 （2）姿态角速度012345678910-2-10123456时间 (seconds)data时序图: 012345678910-2-101234时间 (seconds)data时序图: faithetpfai012345678910-2-101234时间 (seconds)data时序图: faithetpfai通过比较12，知参考信号的幅值和相位改变之后，角速度仅仅是相应相位和幅值上产生变化，在其他量上没有发生变化。通过比较23，得出，阶跃信号会出现不稳定的突变峰值，这对飞行器的控制可能会产生一定

8、影响。 (3)控制输入：01234567891002004006008001000120014001600时间 (seconds)data时序图: w1w2w3w401234567891005001000150020002500300035004000时间 (seconds)data时序图:01234567891005001000150020002500300035004000时间 (seconds)data时序图: w1w2w3w4分析：由12可以得出，w1,w3在趋于稳定时均有周期性的波动，并且随着参考信号幅值的减小波动相应的减小。w2,w4则稳定性良好，没有波动，且w1,w2波动的周期一

9、致，另外，w1,w3,w4的幅值在一个水平线上波动，而w2始终在0值附近波动。 (4)角度跟踪误差：012345678910-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81时间 (seconds)data时序图:012345678910-0.500.51时间 (seconds)data时序图:012345678910-0.500.51时间 (seconds)data时序图: faithetpfai分析:姿态角跟踪，即angle(有动力学结构控制的三个姿态角)-r(参考信号的三个姿态角),由时序图12知，均在经过大约3s时，姿态跟踪趋于正常。通过23比较知，姿态角的跟踪实现同步的时间几乎均为3s。但是对于参考信号为20度的阶跃信号，在初始阶段，有峰值出现，正弦信号相对峰值较小。 因此，综上所述，在运用多回路方法控制飞行器的三个姿态角时，在初始阶段，容易出现突变峰值，但是，综合比较，选用参考信号为正弦信号产生的尖峰更小相比于阶跃信号。因此，为了避免此类峰值出现，最好选用正弦信号；另外，三个姿态角在角度，角速度的变化情况上，基本上与参考信号变化成正比。 通过这门课程设计，让我们学会了根据设计要求开展设计工作，能联系实际深入掌握关于飞行器控制设计专业的