2020年[动态系统建模仿真实验报告四旋翼仿真].pdf

2020年[动态系统建模仿真实验报告四旋翼仿真]--动态系统建模仿真实验报告（2）四旋翼飞行器仿真2121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UI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。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机体受到重力沿方向；四个旋翼旋转所产生的升力(i=1234)旋翼升力沿方向；2020年[动态系统建模仿真实验报告四旋翼仿真]--2020年[动态系统建模仿真实验报告四旋翼仿真]--旋翼旋转会产生扭转力矩(i=1234)。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=1234)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.5s(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[12rpm78rpm]。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。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AttitudeC