四旋翼飞行器仿真实验报告

1 动 态 系 统 建 模 仿 真 实 验 报 告 （ 2） 四旋翼飞行器仿真 姓 名 ： 学 号 ： 指导教师 ： 院 系 ： 2014.12.28 2 1 实验内容 基于Simulink 建立四旋翼飞行器的悬停控制回路，实现飞行器的悬停控制； 建立GUI 界面，能够输入参数并绘制运动轨迹； 基于VR Toolbox建立3D 动画场景，能够模拟飞行器的运动轨迹。 2 实验目的 通过在 Matlab 环境中对四旋翼飞行器进行系统建模，使掌握以下内容： 四旋翼飞行器的建模和控制方法 在 Matlab 下快速建立虚拟可视化环境的方法。 3 实验器材 硬件：PC 机。 工具软件：操作系统：Windows 系列；软件工具：MATLAB 及 simulink。 4 实验原理 4.1 四旋翼飞行器 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 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。 图 1 四旋翼飞行器旋转方向示意图 3 在图 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。 4.2 建模分析 四旋翼飞行器受力分析,如图 2 所示 图2 四旋翼飞行器受力分析示意图 旋翼机体所受外力和力矩为： 重力mg , 机体受到重力沿wz-方向； 四个旋翼旋转所产生的升力iF (i= 1 , 2 , 3 , 4)，旋翼升力沿bz 方向； 旋翼旋转会产生扭转力矩iM (i= 1 , 2 , 3 , 4)。iM 垂直于叶片的旋翼平面，与旋转矢量相反。 力模型为：2iFiFk  ，旋翼通过螺旋桨产生升力。Fk 是电机转动力系数，可取826.11 10/N rpm，i 为电机转速。旋翼旋转产生旋转力矩Mi(i=1,2,3,4)， 4 力 矩 Mi 的 旋 向 依 据 右 手 定 则 确 定 。 力 矩 模 型 为2iMiMk  ， 其 中Mk是 电 机 转动 力 系 数 ， 可 取921.5 10/Nm rpmi 为 电 机 转 速 。 当 给 定 期 望 转 速 后 ， 电 机 的 实...