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四旋翼飞行器仿真-实验报告VIP免费

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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:1指导教师:院系:2014.12.281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VRToolbox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。2图1四旋翼飞行器旋转方向示意图在图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3旋翼机体所受外力和力矩为:重力mg,机体受到重力沿方向;四个旋翼旋转所产生的升力(i=1,2,3,4),旋翼升力沿方向;旋翼旋转会产生扭转力矩(i=1,2,3,4)。垂直于叶片的旋翼平面,与旋转矢量相反。力模型为:,旋翼通过螺旋桨产生升力。是电机转动力系数,可取,为电机转速。旋翼旋转产生旋转力矩Mi(i=1,2,3,4),力矩Mi的旋向依据右手定则确定。力矩模型为,其中是电机转动力系数,可取为电机转速。当给定期望转速后,电机的实际转速需要经过一段时间才能达到。实际转速与期望转速之间的关系为一阶延迟:响应延迟时间可取0.05s(即)。期望转速则需要限制在电机的最小转速和最大转速之间,范围可分取[1200rpm,7800rpm]。飞行器受到外界力和力矩的作用,形成线运动和角运动。线运动由合外力引起,符合牛顿第二定律:r为飞机的位置矢量。角运动由合力矩引起。四旋翼飞行器所受力矩来源于两个方面:1)旋翼升力作用于质心产生的力矩;2)旋翼旋转产生的扭转力矩。角运动方程如下式所4示。其中,L为旋翼中心建立飞行器质心的距离,I为惯量矩阵。4.3控制回路设计控制回路包括内外两层。外回路由PositionControl模块实现。输入为位置误差,输出为期望的滚转、俯仰和偏航角。内回路由AttitudeControl模块实现,输入为期望姿态角,输出为期望转速。MotorDynamics模块模拟电机特性,输入为期望转速,输出为力和力矩。RigidBodyDynamics是被控对象,模拟四旋翼飞行器的运动特性。图3包含内外两个控制回路的控制结构(1)内回路:姿态控制回路对四旋翼飞行器,我们唯一可用的控制手段就是四个旋翼的转速。因此,这里首先对转速产生的作用进行分析。假设我们希望旋翼1的转速达到,那么它的效果可分解成以下几个分量::使飞行器保持悬停的转速分量;:除悬停所需之外,产生沿ZB轴的净力;5:使飞行器负向偏转的转速分量;:使飞行器正向偏航的转速分量;因此,可以将期望转速写成几个分量的线性组合:其它几个旋翼也可进行类似分析,最终得到:在悬浮状态下,四个旋翼共同的升力应抵消重力,因此:此时,可以把旋翼角速度分成几个部分分别控制,通过“比例-微分”控制律建立如下公式:综合以上三式可得到期望姿态角-期望转速之间的关系,即内回路。外回路:位置控制回路外回路采用以下控制方式:通过位置偏差计算控制信号(加速度);建立控制信号与姿态角之间的几何关系;得到期望姿态角,作为内回路的输入。期望位置记为。可通过PID控制器计算控制信号:是目标悬停位置是我们的目标悬停位置(i=1,2,3),是期望加速度,6即控制信号。注意:悬停状态下线速度和加速度均为0,即。通过俯仰角和滚转角控制飞行器在XW和YW平面上的运动,通过...

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