四旋翼飞行器的飞行控制系统设计

四旋翼飞行器的飞行控制系统设计邱丽qiuli@2021/6/271飞行控制系统总体设计一、四旋翼飞行器选型二、四旋翼飞控器控制的特点三、四旋翼飞行控制系统的基本工作原理四、飞行控制器总体结构五、四旋翼飞行器模型六、姿态解算七、控制算法：PID控制、滑模控制、鲁棒控制、Kalman滤波等2021/6/272方案一、买整机改装：重点在控制器的设计、改善飞行品质上，忽略底层结构设计和模型搭建琐碎问题。方案二、买配件后自己组装：大量时间和精力放在结构设计和零件选取购买上。建议：方案一，选成熟的“X”型四旋翼飞行器一、四旋翼飞行器选型2021/6/273四旋翼飞行器选型需考虑的几个主要参数：重量：遥控模型重量（含电池）、有效载重量（和海拔、电池、环境有关，需够携带一微型摄像机）。尺寸：机身全长、机身宽、机高、旋翼直径。飞行时间：无线控制动力：电池供电、四电机驱动一、四旋翼飞行器选型2021/6/274例1：DraganflyerIV级遥控模型主要参数2021/6/275例2：华科尔4#遥控模型主要参数华科尔4#是一个闭环控制系统，它把三个陀螺仪作为反馈来稳定控制滚转、俯仰和偏航。闭环控制有两优点：一是机身旋转和操控员命令相对应；二，纠正外部来的干扰（如：风）2021/6/276四旋翼飞行器有四个输入力、六个输出（即六自由度，包括绕三个轴的转动：俯仰、偏航和滚转，重心三个轴的线运动：进退、左右、侧飞和升降），所以它是一种欠驱动系统（少输入多输出系统）。这种系统容易导致不稳定，需要确保长期稳定的控制方法。二、四旋翼飞行器控制的特点2021/6/277四旋翼飞行器的输入就是每个电机的旋转力矩之和。俯仰运动是由加大（或减小）后端旋翼速度，同时减小（或加大）前端旋翼转速来实现的。滚转运动，即加大（或减小）左侧旋翼转速，同时减小（或加大）右侧旋翼转速。偏航运动是由加大（或减小）前后旋翼的转速，减小（或加大）两侧翼的转速来实现的。二、四旋翼飞行器控制的特点2021/6/278四旋翼飞行器飞行控制系统简图三、四旋翼飞器系统的基本工作原理2021/6/279四、四旋翼飞控系统总体结构整个飞行控制系统包括传感器模块、四电机控制模块、中心控制模块、无线通信模块和地面控制站等部分2021/6/2710五、四旋翼飞行器平动动力学模型平动动力学模型m—四旋翼直升机质量—直升机平动位置，=[xyz]’G—重力加速度，G=[00g]’—直升机四个螺旋桨总升力

—平动拖拽力系数

2021/6/2711五、四旋翼飞行器平动动力学模型其中其中，—螺旋桨i产生的升力R为从地面坐标系到载体坐标系的坐标转换矩阵2021/6/2712五、四旋翼飞行器模型建立平动动力学模型转动动力学模型2021/6/2713五、四旋翼飞行器非线性运动方程2021/6/2714五、模型简化

的组合简化简化三角函数忽略二次项相乘，认为是高阶小项2021/6/2715五、模型简化2021/6/2716选择后四行进行控制

输出量输入量控制三个位置x，y，z；控制横滚角；控制俯仰角；控制偏航角

五、传递函数矩阵2021/6/2717六、捷联惯性导航—姿态解算硬件加速度计、陀螺仪、数字罗盘加速度计输出基于载体坐标系的加速度，数字罗盘输出基于载体坐标系的磁场强度，二者结合可解算出三轴姿态角（横滚、俯仰、偏航）陀螺输出三个轴向的角速度，积分运算得到载体的姿态角数据融合低成本固态陀螺的性能较差，能保证短时间内的测量精度，响应速度快，但长时间产生漂移采用加速度计和数字罗盘联合输出值数据稳定，补偿陀螺仪的漂移2021/6/2718六、加速度计、数字罗盘解算姿态

—观测向量速度计可以测得重力加速度在载体坐标系X轴、Y轴上的分量

、，根据几何关系得到偏航角

通过数字罗盘得到2021/6/2719六、陀螺仪解算姿态—状态向量陀螺仪通过单轴积分法获得三轴姿态角x为陀螺仪输出电压，y为旋转角速度k为输出电压到旋转角速度的比例系数b为陀螺仪输出电压零点。2021/6/2720七、多传感器融合—卡尔曼滤波KkdelayAk-1Ck+-