四轴飞行器动力学分析与建模

四翼飞行器动力学分析与建模 1. 引言 四轴飞行器，又称四旋翼飞行器、四旋翼直升机，简称四轴、四旋翼。这四轴飞行器(Quadrotor)是一种多旋翼飞行器。四轴飞行器的四个螺旋桨都是电机直连的简单机构，十字形的布局允许飞行器通过改变电机转速获得旋转机身的力，从而调整自身姿态。因为它固有的复杂性，历史上从未有大型的商用四轴飞行器。近年来得益于微机电控制技术的发展，稳定的四轴飞行器得到了广泛的关注，应用前景十分可观。 本章通过分析四旋翼直升机的动力学机制，运用已知的物理定律和方程来建立表征系统动态过程的数学模型。 2. 四旋翼飞行器简介 2.1 四旋翼飞行器结构 四旋翼直升机主体构成有：产生升力的四个旋翼、飞行控制设备及其支撑旋翼的机身。有时为了保护飞行器，避免旋翼的损坏，特别装设了保护架。其中，每个旋翼包括直流电机、翼翅及连接件等部分。 如下图所示 ： 2.2 四旋翼飞行器飞行原 理 四旋翼直升机与传 统的直升机相 比 ，有着 自己 独 特的地 方。它的四个呈 十字平 均 分布的旋翼取 代 了传 统的单独 的旋翼，对 机身产生单独 的力和力矩 。四旋翼直升机通过改变旋翼转速来控制飞行器的姿态，且 四个旋翼的动态特性高 度 耦 合 。 3. 四旋翼飞行器动力学方程 3.1 坐 标 描 述 及其转换 关系 飞机的姿态角 、飞行速度 的大小 和方向 等参 数总 是和坐 标 系联 系在 一起 的，要 确 切 地 描述飞机的运动状态，就要先建立适当的坐标系。下面定义几种坐标系，并分析各坐标之间的相互转换关系： (1)地面坐标系E（OXYZ） 地面坐标系用语研究飞机相对于地面的运动，确定飞机在空间的位置坐标X、Y、Z，从而方便研究飞机的姿态、航向以及飞机相对起飞点的空间位置。该坐标系原点固定于地面上飞机的起飞点，OX 轴指向飞机制定的飞行方向，OZ 轴垂直水平面向上，OY 轴垂直OXZ 平面。 (2)机体坐标系B（Oxyz） 机体坐标系固定在机体上，原点设在飞机重心，纵轴Ox 平行于前后旋翼的连线，指向前方为正方向，竖轴Oz 平行于左右旋翼的连线，指向右方为正方向；轴Oy 与轴Ox、Oz 所在平面垂直，并与轴Ox、轴Oz 组成右手坐标系。 (3)地面坐标系和机体坐标系的转换 在飞机飞行动力学中，对于描述地面坐标系和机体坐标系之间的关系的角度可用如下定义的三个欧拉角加以确定。 偏航角ψ——机体轴Ox 在地面坐标系水平面OXY 上的投影线X’与X 轴之间的...