对四轴飞行器的姿态控制器的设计与仿真

对四轴飞行器的姿态控制器的设计与仿真

摘要:四轴飞行器具有直升飞机一样垂直升降的功能,同时也具有直升飞机无法具备的灵活的六自由度飞行的特点,本文将尝试从俯仰-滚转动力系统和航向动力学系统的角度来建立方框图,对四轴飞行器的姿态控制器进行设计与仿真。

关键词:姿态控制器方框图设计与仿真

四轴飞行器的姿态动力学的建模,以及航向动力学系统和俯仰-滚转动力学系统的理论分析已经非常成熟,本文将尝试建立航向动力学系统的姿态控制器和俯仰-滚转动力学系统姿态控制器方框图的角度来分析,由此得到四轴飞行器的姿态控制器的设计与仿真。

1 俯仰-滚转动力学系统姿态控制器

由俯仰-滚动力学系统建模可以得到,假设当马达推力为:F++ B++ L++ R++时,四轴飞行器将处于悬浮状态,俯仰-滚转动力学系统操控指导如图1所示。

从俯仰-滚转动力学系统建模中,可以得知其动力学系统是一个线性的(在忽略执行饱和器的前提下),定常的,二阶的系统。同时,假设气动力学阻力被认为是可以忽略的,因此这个动力学系统模型是一个没有自然阻尼,没有零点,只有一个原点极的系统,这就意味着开环系统在没有反馈的时候是不稳定的。

没有自然阻尼的比例系统反馈控制器并不足于稳定系统的姿态,因此系统需要主动阻尼,从而俯仰-滚转动力学系统姿态控制器的方框图。

2 航向动力学系统的姿态控制器

由航向动力学系统建模可以得到,假设当马达推力为:F++ B++ L++ R++时,四轴飞行器将处于悬浮状态,航向动力学系统操控指导如图3所示。

航向动力学系统是没有全球轴承角参照的一阶系统,由于输入的是角速度,所以可以直接用于遥感控制。这种控制方法降低了偏航率和保持一个相对恒定的轴承,从而使偏航输入保持稳定。航向动力学系统姿态控制器的方框图如图4所示。

在建立适当的姿态控制器姿态控制器设计方框图后,便可以使用MATLAB进行仿真评估动力学系统。

3 结语

本文根据四轴飞行器的动力学系统操作指导,建立了四轴飞行器的俯仰-滚转和航向姿态控制器方框图,并给出了仿真指导,希望能为四轴飞行器设计者提供一个参考。

参考文献

[1] 邓矛.关于四轴飞行器的姿态动力学建模[J].科技创新导报,2012(9).

[2] 李俊,李运堂.四旋翼飞行器的动力学建模及PID控制[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2012(1).