四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)設計課件

1、四旋翼飛行器的飛行控制系統(tǒng)設計邱麗四旋翼飛行器的飛行控制系統(tǒng)設計邱麗飛行控制系統(tǒng)總體設計一、四旋翼飛行器選型二、四旋翼飛控器控制的特點三、四旋翼飛行控制系統(tǒng)的基本工作原理四、飛行控制器總體結構五、四旋翼飛行器模型六、姿態(tài)解算七、控制算法：PID控制、滑?？刂?、魯棒控制、Kalman濾波等飛行控制系統(tǒng)總體設計一、四旋翼飛行器選型方案一、買整機改裝：重點在控制器的設計、改善飛行品質上，忽略底層結構設計和模型搭建瑣碎問題。方案二、買配件后自己組裝：大量時間和精力放在結構設計和零件選取購買上。建議：方案一，選成熟的“X”型四旋翼飛行器一、四旋翼飛行器選型方案一、買整機改裝：重點在控制器的設計、改善飛行

2、品質上，忽略四旋翼飛行器選型需考慮的幾個主要參數(shù)：重量：遙控模型重量（含電池）、有效載重量（和海拔、電池、環(huán)境有關，需夠攜帶一微型攝像機）。尺寸：機身全長、機身寬、機高、旋翼直徑。飛行時間：無線控制動力：電池供電、四電機驅動一、四旋翼飛行器選型四旋翼飛行器選型需考慮的幾個主要參數(shù)：一、四旋翼飛行器選型例1：Draganflyer IV級遙控模型主要參數(shù)例1：Draganflyer IV級遙控模型主要參數(shù)例2：華科爾4#遙控模型主要參數(shù)華科爾4#是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，它把三個陀螺儀作為反饋來穩(wěn)定控制滾轉、俯仰和偏航。閉環(huán)控制有兩優(yōu)點：一是機身旋轉和操控員命令相對應；二，糾正外部來的干擾（如：風）例

3、2：華科爾4#遙控模型主要參數(shù)華科爾4#是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)四旋翼飛行器有四個輸入力、六個輸出（即六自由度，包括繞三個軸的轉動：俯仰、偏航和滾轉，重心三個軸的線運動：進退、左右、側飛和升降），所以它是一種欠驅動系統(tǒng)（少輸入多輸出系統(tǒng)）。這種系統(tǒng)容易導致不穩(wěn)定，需要確保長期穩(wěn)定的控制方法。二、四旋翼飛行器控制的特點四旋翼飛行器有四個輸入力、六個輸出（即六自由度，包括繞三個軸四旋翼飛行器的輸入就是每個電機的旋轉力矩之和。俯仰運動是由加大（或減小）后端旋翼速度，同時減小（或加大）前端旋翼轉速來實現(xiàn)的。滾轉運動，即加大（或減?。┳髠刃磙D速，同時減?。ɑ蚣哟螅┯覀刃磙D速。偏航運動是由加大（或減?。┣昂?/p>

4、旋翼的轉速，減?。ɑ蚣哟螅﹥蓚纫淼霓D速來實現(xiàn)的。二、四旋翼飛行器控制的特點四旋翼飛行器的輸入就是每個電機的旋轉力矩之和。俯仰運動是由加四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)簡圖三、四旋翼飛器系統(tǒng)的基本工作原理四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)簡圖三、四旋翼飛器系統(tǒng)的基本工作原理四、四旋翼飛控系統(tǒng)總體結構整個飛行控制系統(tǒng)包括傳感器模塊、四電機控制模塊、中心控制模塊、無線通信模塊和地面控制站等部分四、四旋翼飛控系統(tǒng)總體結構整個飛行控制系統(tǒng)包括傳感器模塊、四五、四旋翼飛行器平動動力學模型平動動力學模型m四旋翼直升機質量 直升機平動位置， =x y z G 重力加速度，G=0 0 g 直升機四個螺旋槳總升力 平動拖拽力系數(shù)

5、五、四旋翼飛行器平動動力學模型平動動力學模型五、四旋翼飛行器平動動力學模型 其中其中， 螺旋槳i產(chǎn)生的升力 R 為從地面坐標系到載體坐標系的坐標轉換矩陣五、四旋翼飛行器平動動力學模型 其中五、四旋翼飛行器模型建立 平動動力學模型 轉動動力學模型五、四旋翼飛行器模型建立 平動動力學模型五、四旋翼飛行器非線性運動方程五、四旋翼飛行器非線性運動方程五、模型簡化 的組合簡化 簡化三角函數(shù) 忽略二次項相乘，認為是高階小項五、模型簡化 的組合簡化五、模型簡化五、模型簡化 選擇后四行進行控制 輸出量 輸入量 控制三個位置x，y，z； 控制橫滾角 ； 控制俯仰角 ； 控制偏航角 五、傳遞函數(shù)矩陣 選擇后四行進

6、行控制五、傳遞函數(shù)矩陣六、捷聯(lián)慣性導航姿態(tài)解算硬件加速度計、陀螺儀、數(shù)字羅盤加速度計輸出基于載體坐標系的加速度，數(shù)字羅盤輸出基于載體坐標系的磁場強度，二者結合可解算出三軸姿態(tài)角（橫滾、俯仰、偏航）陀螺輸出三個軸向的角速度，積分運算得到載體的姿態(tài)角數(shù)據(jù)融合低成本固態(tài)陀螺的性能較差，能保證短時間內(nèi)的測量精度，響應速度快，但長時間產(chǎn)生漂移采用加速度計和數(shù)字羅盤聯(lián)合輸出值數(shù)據(jù)穩(wěn)定，補償陀螺儀的漂移六、捷聯(lián)慣性導航姿態(tài)解算硬件六、加速度計、數(shù)字羅盤解算姿態(tài)觀測向量速度計可以測得重力加速度在載體坐標系X軸、Y軸上的分量 、 ，根據(jù)幾何關系得到 偏航角 通過數(shù)字羅盤得到六、加速度計、數(shù)字羅盤解算姿態(tài)觀測向量速度計可以測得重力六、陀螺儀解算姿態(tài)狀態(tài)向量陀螺儀通過單軸積分法獲得三軸姿態(tài)角x為陀螺儀輸出電壓， y為旋轉角速度k為輸出電壓到旋轉角速度的比例系數(shù)b為陀螺儀輸出電壓零點。六、陀螺儀解算姿態(tài)狀態(tài)向量陀螺儀通過單軸積分法獲得三軸姿態(tài)七、多傳感器融合卡爾曼濾波 KkdelayAk-1 Ck+-+