四旋翼飞行器的飞行控制系统设计

(dU 2 K afx ) / I x (dU 3 K afy ) / I y
Kd ( U 4 K afz ) / I z Kl
五、传递函数矩阵
选择后四行进行控制
z (U1 K dtz y mg ) / m
(dU 2 K afx ) / I x (dU 3 K afy ) / I y
Kd ( U 4 K afz ) / I z Kl
输出量 输入量
U1 控制三个位置x，y，z；U 2控制横滚角 ； U3 控制俯仰角
U 4 控制偏航角 ；
六、捷联惯性导航—姿态解算
硬件
加速度计、陀螺仪、数字罗盘 加速度计输出基于载体坐标系的加速度，数字罗盘输 出基于载体坐标系的磁场强度，二者结合可解算出三 轴姿态角（横滚、俯仰、偏航） 陀螺输出三个轴向的角速度，积分运算得到载体的姿 态角
型摄像机）。
尺寸：机身全长、机身宽、机高、旋翼直径。
飞行时间：无线控制
动力：电池供电、四电机驱动
例1：Draganflyer IV级遥控模型主要参数
例2：华科尔4#遥控模型主要参数
华科尔4#是一个闭环控制系统，它把三个陀螺仪作为反 馈来稳定控制滚转、俯仰和偏航。闭环控制有两优点
：一是机身旋转和操控员命令相对应；二，纠正外部 来的干扰（如：风）
四旋翼飞行器的飞行控制系统设计 邱丽
qiuli@szu.edu.cn
飞行控制系统总体设计
一、四旋翼飞行器选型
二、四旋翼飞控器控制的特点
三、四旋翼飞行控制系统的基本工作原理
四、飞行控制器总体结构
五、四旋翼飞行器模型
六、姿态解算
七、控制算法：PID控制、滑模控制、鲁 棒控制、Kalman滤波等
一、四旋翼飞行器选型
统包括传感器
模块、四电机
控制模块、中
心控制模块、 无线通信模块
和地面控制站
等部分
五、四旋翼飞行器平动动力学模型
平动动力学模型
m—四旋翼直升机质量
—直升机平动位置，=[x y z]’
G —重力加速度，G=[0 0 g]’
Ff—直升机四个螺旋桨总升力
—平动拖拽力系数 K dt
五、四旋翼飞行器平动动力学模型
陀螺仪通过单轴积分法获得三轴姿态角
y k ( x b)
x为陀螺仪输出电压， y为旋转角速度
k为输出电压到旋转角速度的比例系数
b为陀螺仪输出电压零点。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
七、多传感器融合—卡尔曼滤波
计算观测向量
+ vk
Kk
选取状态矢量
+
-
+
xk
Ck
Xk|k-1
Ak-1
delay
卡尔曼滤波算法就是预测和修正 的不断递归。预测新的状态和协 方差，然后利用观测向量对状态 和协方差进行修正。
翼速度，同时减小（或加大）前端旋翼转速
来实现的。滚转运动，即加大（或减小）左 侧旋翼转速，同时减小（或加大）右侧旋翼 转速。偏航运动是由加大（或减小）前后旋 翼的转速，减小（或加大）两侧翼的转速来
实现的。
三、四旋翼飞器系统的基本工作原理
四旋翼飞行器飞行控制系统简图
四、四旋翼飞控系统总体结构
整个飞行控制系
二、四旋翼飞行器控制的特点
四旋翼飞行器有四个输入力、六个输出（即六 自由度，包括绕三个轴的转动：俯仰、偏航
和滚转，重心三个轴的线运动：进退、左右
、侧飞和升降），所以它是一种欠驱动系统 （少输入多输出系统）。这种系统容易导致 不稳定，需要确保长期稳定的控制方法。
二、四旋翼飞行器控制的特点
四旋翼飞行器的输入就是每个电机的旋转力矩 之和。俯仰运动是由加大（或减小）后端旋
数据融合
低成本固态陀螺的性能较差，能保证短时间内的测量 精度，响应速度快，但长时间产生漂移 采用加速度计和数字罗盘联合输出值数据稳定，补偿 陀螺仪的漂移
六、加速度计、数字罗盘解算姿态 —观测向量
速度计可以测得重力加速度在载体坐标系X轴、Y轴
Ay ，根据几何关系得到 上的分量 Ax 、
arcsin Ax / g
方案一、买整机改装：重点在控制器的设计、 改善飞行品质上，忽略底层结构设计和模型 搭建琐碎问题。 方案二、买配件后自己组装：大量时间和精力
放在结构设计和零件选取购买上。
建议：方案一，选成熟的“X”型四旋翼飞行器
一、四旋翼飞行器选型
四旋翼飞行器选型需考虑的几个主要参数： 重量：遥控模型重量（含电池）、有效载重量 （和海拔、电池、环境有关，需够携带一微
arcsin Ay / g
偏航角 通过数字罗盘得到
* arctan
YH X H Y cos Z sin arctan X cos Y sin sin Z cos sin
六、陀螺仪解算姿态—状态向量
其中
其中， Fi —螺旋桨i产生的升力
R 为从地面坐标系到载体坐标系的坐标转换矩阵
五、四旋翼飞行器模型建立
平动动力学模型
转动动力学模型
五、四旋翼飞行器非线性运动方程
五、模型简化
Fi 的组合简化
简化三角函数
忽略二次项相乘，认为是高阶小项
五、模型简化
x (U1 K dtx x ) / m y (U1 K dty y ) / m z (U1 K dtz y mg ) / m