四旋翼無(wú)人機(jī)建模及其PID控制律設(shè)計(jì)
摘要:文中對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行建模與控制。在建模時(shí)采用機(jī)理建模和實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法,尤其是對(duì)電機(jī)和螺旋槳進(jìn)行了詳細(xì)的建模。首先對(duì)所建的模型應(yīng)用PID進(jìn)行了姿態(tài)角的控制。在此基礎(chǔ)上又對(duì)各個(gè)方向上的速度進(jìn)行了PlD控制。然后在四旋翼飛機(jī)重心進(jìn)行偏移的情況下進(jìn)行PID控制,仿真結(jié)果表明PID控制律能有效的控制四旋翼無(wú)人機(jī)在重心偏移情況下的姿態(tài)角和速度。最后為了方便控制加入了控制邏輯。
關(guān)鍵詞:四旋翼;建模;PID;控制;重心偏移;控制邏輯
四旋翼無(wú)人機(jī)是一種具有4個(gè)旋翼的飛行器,有X型分布和十字型分布2種。文中采用的是X型分布的四旋翼,四旋翼無(wú)人機(jī)只能通過(guò)改變旋翼的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)。國(guó)外對(duì)四旋翼無(wú)人直升機(jī)的研究非?;钴S。加拿大雷克海德大學(xué)的Tavebi和McGilvrav證明了使用四旋翼設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的飛行。澳大利亞臥龍崗大學(xué)的McKerrow對(duì)Dragantlyer進(jìn)行了精確的建模。目前國(guó)外四旋翼無(wú)人直升機(jī)的研究工作主要集中在以下3個(gè)方面:基于慣導(dǎo)的自主飛行、基于視覺(jué)的自主飛行和自主飛行器系統(tǒng)。而國(guó)內(nèi)對(duì)四旋翼的研究主要有:西北工業(yè)大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、南京航天航空大學(xué)、中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院第27所、吉林大學(xué)、北京科技大學(xué)和哈工大等。大多數(shù)的研究方式是理論分析和計(jì)算機(jī)仿真,提出了很多控制算法。例如,針對(duì)無(wú)人機(jī)模型的不確定性和非線性設(shè)計(jì)的DI/QFT(動(dòng)態(tài)逆/定量反饋理論)控制器,國(guó)防科技大學(xué)提出的自抗擾控制器可以對(duì)小型四旋翼直升機(jī)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)增穩(wěn)控制,還有一些經(jīng)典的方法比如PID控制等,但是都不能很好地控制四旋翼速度較大的情況。本文對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)了另外一種不同的控制方法即四旋翼的四元數(shù)控制律設(shè)計(jì),仿真結(jié)果表明這種控制方法是一種有效的方法。尤其是對(duì)飛機(jī)的飛行速度較大的情況,其能穩(wěn)定地控制四旋翼達(dá)到預(yù)期的效果。
1 四旋翼的模型
文中所研究的四旋翼結(jié)構(gòu)屬于X型分布,即螺旋槳M1和M4與M2和M3關(guān)于X軸對(duì)稱,螺旋槳M1和M2與M3和M4關(guān)于Y軸對(duì)稱,如圖1所示。對(duì)于四旋翼的模型本文主要根據(jù)四旋翼的物理機(jī)理進(jìn)行物理建模,并做以下2條假設(shè)。
1)四旋翼無(wú)人機(jī)是絕對(duì)的剛體,不考慮其結(jié)構(gòu)和彈性形變,而且機(jī)體的重心位置不變,其質(zhì)量為常數(shù);
2)假設(shè)地面為慣性參考系,即假設(shè)地面坐標(biāo)系為慣性坐標(biāo)系。
利用電子秤測(cè)出各個(gè)零部件的質(zhì)量,利用游標(biāo)卡尺和直尺測(cè)出各個(gè)零部件的尺寸,應(yīng)用懸吊法測(cè)出其機(jī)體的重心。立機(jī)體坐標(biāo)系并求出四旋翼的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,對(duì)于不規(guī)則的物體進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化和等效,對(duì)于螺旋槳的建模忽略了其所受的空氣阻力和側(cè)向力矩,只考慮螺旋槳的升力和扭矩。
1.1 四旋翼動(dòng)力學(xué)方程
在機(jī)體坐標(biāo)系下的受力與力矩關(guān)系式:
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評(píng)論