第一篇：四旋翼產(chǎn)品說明書最終稿（范文）

2012年遼寧省普通高等學(xué)校大學(xué)生 機(jī)械設(shè)計(jì)大賽參賽作品說明書

參賽單位：遼東學(xué)院 設(shè)計(jì)課題：四軸碟形飛行器

參賽學(xué)生：吳家?guī)?、李成祥、?巖、祁 勇、楊惠麟 指導(dǎo)教師：劉 瀛、劉廣達(dá)

-***782這款四軸飛行器適合多種型號的飛控板配合使用。有利于批量生產(chǎn)，四軸飛行器又一亮點(diǎn)是成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于功能相同的航模價(jià)格。此外，工人易操作，使用簡單，維護(hù)方便，用途多樣。1.2國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀

在微型飛行器的研究方面,目前歐美等發(fā)達(dá)國家遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在全球的前列,且成功研究了固定翼式、旋翼式和撲翼式各類微型飛行器。相比較之下，我國研究所和各大高校的研究人員雖然也開始展開了相關(guān)研究,但更多停留在理論設(shè)計(jì)階段，實(shí)踐的成功案例較為少見。產(chǎn)品說明書

2.1設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)有的四軸飛行器存在著操作困難、安全保障低、價(jià)格昂貴等原因，受人們的喜愛程度較低，而且最主要原因是不能解決人員的安全問題。但是，性能好的四軸飛行器的價(jià)格比較昂貴，這種因素的限制之下，航模的市場很難滿足飛行操作者的欲望要求。本產(chǎn)品恰恰從這個(gè)角度出發(fā)，為航模愛好者量身打造具有價(jià)格低廉，操作簡單，維護(hù)方便，人身傷害比較小，有較為廣泛的應(yīng)用的四軸碟形飛行器。

為了實(shí)現(xiàn)安全飛行的目的我們小組起初設(shè)想了以下幾種方案： 方案一：機(jī)架“十字形”方案

方案二：碟形外殼“十字鑲嵌”方案

方案三：模具制作外殼、將電機(jī)、槳、電路板嵌在殼體內(nèi)方案 通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，我們小組決定采用第三種方案。

首先，與方案一相比較，方案三在外殼制作及組合安裝上更容易，可以完成批量生產(chǎn)。從具體實(shí)施以及可行性角度分析，方案三更加具體完整。由于螺旋槳、電池、電路板等都是內(nèi)鑲的，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)可知，碟形外殼更加有利于飛行穩(wěn)定性，大大提高安全系數(shù)。

其次，與方案二相比較，方案三殼體較輕，負(fù)載比較小，容易固定，協(xié)調(diào)性也有了很大的改善。最后，與前兩個(gè)方案相比較，方案三飛行效果及安全性更好，動(dòng)作靈敏度更高，飛行動(dòng)力更加持久，抗風(fēng)抗干擾性能力更強(qiáng)，能夠有效的完成各種動(dòng)作。

綜上所述，我們改進(jìn)方案

一、方案

二、決定采用方案三為最終的作品方案。理論設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1作品內(nèi)部重要零部件介紹

四軸碟形飛行器中各參數(shù)說明表

標(biāo)準(zhǔn)配置 總體 螺旋槳 電子調(diào)速器

電機(jī) 遙控器 攝像頭 四軸飛行器

描述 700*700

正反2對90*50槳；尺寸在200mm至300mm之間；總體載重量在600g至1000g之間

好贏2212 10A 新西達(dá)2212 KV980 天地飛6通道2.4GHz

300萬像素

總體質(zhì)量在1500g至2500g之間

表1

圖1電機(jī)

圖2螺旋槳

圖3 電池

圖5 飛行控制主板

圖7 接收設(shè)備

圖4 電調(diào)

圖6 電壓測試器

圖8 拍攝設(shè)備

動(dòng)力源提供裝置：

采用直流電源3S鋰電池，該電池的容量大，有充放電的保護(hù)，電池的質(zhì)量輕，其質(zhì)量為191.9克。電子調(diào)速器：

由于我們需要四軸碟形飛行器在空中完成各種動(dòng)作，所以需要一個(gè)調(diào)速的裝置進(jìn)行調(diào)速，當(dāng)操作者想要改變方向時(shí)，電子調(diào)速器會(huì)將從接收器得來的信號進(jìn)行處理將直流電源轉(zhuǎn)換成交流帶信號，這樣電機(jī)就會(huì)接收到信號，自動(dòng)將速度進(jìn)行改變，進(jìn)而改變飛行器的姿態(tài)及位置。

拍攝及接收裝置：

拍攝的攝像頭采用可以發(fā)射出模擬信號，將拍攝到的流暢彩色視頻及聲音進(jìn)行無線傳輸，調(diào)制模式采用AM調(diào)制，有效傳輸距離120m，工作時(shí)間可達(dá)2小時(shí)。其質(zhì)量為32克。

接收裝置采用支持帶UHF波段模擬電視接收功能的多種電子設(shè)備終端,包括手機(jī),電視,筆記本電腦,MP4,數(shù)碼相框等電子設(shè)備，我們的作品采用的是手機(jī)。

遙控器及接收器

遙控器采用天地飛六通道2.4GHz，有效傳輸范圍在200m左右。接收器是天地飛遙控器配套的接收器，其質(zhì)量為8克。

工作流程圖 飛行流程圖：

飛行前的準(zhǔn)備→遙控器及飛行器解鎖→起飛→操作遙控器慢慢退下油門使飛行器慢慢減速降落 左右轉(zhuǎn)彎流程圖：

起飛→向左（右）旋轉(zhuǎn)→遙控器方向舵向左（右）打→飛行器實(shí)現(xiàn)向左（右）飛行 前后流程圖：

起飛→向前（后）飛行→遙控器方向舵向前（后）打→飛行器實(shí)現(xiàn)向前（后）飛行 其他的動(dòng)作（翻滾、俯仰、橫滾）參考以上的流程圖即可實(shí)現(xiàn)。創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

1）操作和控制簡便。集合了原有四軸飛行器的優(yōu)點(diǎn)，碟形的設(shè)計(jì)更加美觀，在平衡方面更加有優(yōu)勢。可以進(jìn)行危險(xiǎn)作業(yè)的同時(shí)還具有很強(qiáng)的趣味性，自主研發(fā)和獨(dú)到的設(shè)計(jì)理念給航模愛好者耳目一新的感覺，與此同時(shí)在娛樂方面也增長了知識。

2）安全指數(shù)高。相對簡單的機(jī)械構(gòu)造，使安全指數(shù)大幅度提高，無論是作為航空模型還是作為遙控平臺，安全永遠(yuǎn)是第一位的。

3）成本低廉。飛行器外殼采用的是模具成型技術(shù)，為工業(yè)開發(fā)其商業(yè)用途奠定了必要的基礎(chǔ)。4）適用于進(jìn)行危險(xiǎn)性系數(shù)比較大的作業(yè)。在發(fā)生震后塌方和泥石流等自然災(zāi)害的時(shí)候，監(jiān)控室的監(jiān)控人員可以實(shí)現(xiàn)對飛行器無線的遙控，當(dāng)飛行器飛行到災(zāi)后現(xiàn)場上空時(shí)，通過所攜帶的攝像頭將圖像資料無線傳輸給監(jiān)控室,給現(xiàn)場決策提供幫助，減少傷害的發(fā)生。

5）適用于航測，軍事應(yīng)用等。足夠的穩(wěn)定性和抗風(fēng)性，可以滿足很多要求懸停能力的測量及軍事應(yīng)用。

目前在國內(nèi)，四軸碟形飛行器的發(fā)展尚未成熟，很多不足都需要改進(jìn)，因此我們獨(dú)到的設(shè)計(jì)可以引領(lǐng)四軸碟形飛行器進(jìn)入一個(gè)創(chuàng)新領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1] JOEL M.,MATTHEW T.Development of the Black Widow Micro Air Vehicle[R].AIAA-01-0127,2001.[2] WILSON J.R.MicroSAR Meets MAV[J].Aerospace American,1999,10(2):32-35.[3] PORNSIN-SISIRAK T.N.,LEE S.W.,NASSEF H.,GRASMEYER J.,etc.MEMS Wing Technology for A Battery-Powered Ornithopter.Micro Electro Mechanical Systems,2000,MEMS 2000,IEEE[C].2000,1:799-804.[4]劉曉杰.基于視覺的微小型四旋翼飛行器位姿估計(jì)研究與實(shí)現(xiàn)[D].長春:吉林大學(xué),2009.[5]范承志,王字峰,林小娥等.一種位置無傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路[J].微電機(jī),2001(3):19-20,24.[6]曹杰,史金飛,戴敏.基于MEGA8單片機(jī)的無傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2005,26(12):13-16.[7]劉煥曄.小型四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].上海:上海交通大學(xué),2009.

第二篇：關(guān)于四旋翼飛行器的心得

關(guān)于四旋翼飛行器的心得

對于飛行器或者航模之類的映像，是在高中時(shí)期，學(xué)校有航模小組，經(jīng)常可以看到拿著航模的學(xué)生在進(jìn)行試飛，當(dāng)時(shí)心中感覺“航?！笔欠浅Ｓ幸馑疾⑶摇案呖萍肌薄Ｈ缃褚呀?jīng)歷高考進(jìn)入大學(xué)，在學(xué)校的為我們安排的導(dǎo)師制計(jì)劃中，非常幸運(yùn)的加入無人機(jī)航拍飛行器小組，關(guān)于四旋翼飛行器，在查閱了相關(guān)資料后，有了一定的了解。

四旋翼飛行器也稱為四旋翼直升機(jī)，是一種有4個(gè)螺旋槳且螺旋槳呈十字形交叉的飛行器。Seraphi 是一款可用于空中拍攝的一體化多旋翼飛行器，它外觀時(shí)尚精美，做工精湛，還擁有集成了自身研發(fā)的飛行動(dòng)力系統(tǒng)，并配置專業(yè)的無線電遙控系統(tǒng)。Seraphi集成易作、易維護(hù)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)，在出廠前已經(jīng)設(shè)置并調(diào)試所有的飛行參數(shù)及功能，具有免安裝、免調(diào)試的快速飛行模式。Seraphi 攜帶方便，可以搭配GoPro或者其它微型相機(jī)錄制空中視頻。

記得在TED的講座中，有一期叫做“TED-紅遍全球的的炫酷飛行器”，這個(gè)講座說明了四旋翼飛行器的一些特點(diǎn)。1.時(shí)尚精美、做工精湛。Seraphi外觀時(shí)尚精美，做工精湛，還擁集成了自身研發(fā)的飛行動(dòng)力系統(tǒng)，并配置專業(yè)的無線電遙控系統(tǒng)。2.集成易作、易維護(hù)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)。Seraphi集成易作、易維護(hù)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)。Seraphi 攜帶方便，可以搭配GoPro或者其它微型相機(jī)錄制空中視頻。3.自由切換多種飛行模式。Seraphi內(nèi)置自身研發(fā)的飛行控制系統(tǒng)，具備多種飛行模式，可以根據(jù)不同的飛行需要以及不同的飛行環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的智能切換以達(dá)到不一樣的飛行體驗(yàn)。4.方向控制靈活。Seraphi具備自身研發(fā)飛控系統(tǒng)，方向控制靈活。在通常飛行過程中，可以根據(jù)需要，進(jìn)行靈活縱。

制作航拍飛行器能夠讓培養(yǎng)我們的團(tuán)隊(duì)合作意識，拓寬我們的知識領(lǐng)域，同時(shí)讓我們動(dòng)手實(shí)踐的能力得到提升，相信這次經(jīng)歷肯定能成為我的大學(xué)生活中最值得回憶的事情之一。

第三篇：新手四旋翼算法總結(jié)

新手四旋翼算法總結(jié) 一．姿態(tài)結(jié)算（匿名版程序）

首先，程序中一般用了兩種求解姿態(tài)的方法，一種為歐拉角法，一種為四元數(shù)法

（1）歐拉角法靜止?fàn)顟B(tài)，或者總加速度只是稍微大于g時(shí)，由加計(jì)算出的值比較準(zhǔn)確。

使用歐拉角表示姿態(tài)，令Φ,θ和Φ代表ZYX 歐拉角，分別稱為偏航角、俯仰角和橫滾角。載體坐標(biāo)系下的 加 速 度(axB,ayB,azB)和參考坐標(biāo)系下的加速度(axN, ayN, azN)之間的關(guān)系可表示為(1)。其中 c 和 s 分別代表 cos 和 sin。axB,ayB,azB就是mpu讀出來的三個(gè)值。

這個(gè)矩陣就是三個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣相乘得到的，因?yàn)榫仃嚨某朔梢员硎拘D(zhuǎn)。

c?c??axB???ayB????c?s??s?s?c? ?????azB????s?s??c?s?c?c?s?c?c??s?s?s??s?c??c?s?s??s???axN??ayN?(1)s?c?????c?c?????azN???axN??0??????ayN???0?（2）?a????zN??g?飛行器處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)參考系下的加速度等于重力加速度，即

把（2）代入（1）可以解的

??arctg(axBa?a2yB2zB)（3）

??arctg??ayB??（4）?azB?即為初始俯仰角和橫滾角，通過加速度計(jì)得到載體坐標(biāo)系下的加速度即可將其解出，偏航角可以通過電子羅盤求出。

（2）四元數(shù)法（通過處理單位采樣時(shí)間內(nèi)的角增量(mpu的陀螺儀得到的就是角增量)，為了避免噪聲的微分放大，應(yīng)該直接用角增量-------抄的書）

上匿名的程序

void IMUupdate(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float az){

float norm;// float hx, hy, hz, bx, bz;

float vx, vy, vz;// wx, wy, wz;

float ex, ey, ez;

// 先把這些用得到的值算好

float q0q0 = q0*q0;

float q0q1 = q0*q1;

float q0q2 = q0*q2;// float q0q3 = q0*q3;

float q1q1 = q1*q1;// float q1q2 = q1*q2;

float q1q3 = q1*q3;

float q2q2 = q2*q2;

float q2q3 = q2*q3;

float q3q3 = q3*q3;

if(ax*ay*az==0)

return;

norm = sqrt(ax*ax + ay*ay + az*az);

//acc數(shù)據(jù)歸一化

ax = ax /norm;

ay = ay / norm;

az = az / norm;

// estimated direction of gravity and flux(v and w)

vx = 2*(q1q3q1q1az*vy);

//向量外積在相減得到差分就是誤差

ey =(az*vxay*vx);

exInt = exInt + ex * Ki;

//對誤差進(jìn)行積分

eyInt = eyInt + ey * Ki;

ezInt = ezInt + ez * Ki;

// adjusted gyroscope measurements

gx = gx + Kp*ex + exInt;

//將誤差PI后補(bǔ)償?shù)酵勇輧x，即補(bǔ)償零點(diǎn)漂移

gy = gy + Kp*ey + eyInt;

gz = gz + Kp*ez + ezInt;

//這里的gz由于沒有觀測者進(jìn)行矯正會(huì)產(chǎn)生漂移，表現(xiàn)出來的就是積分自增或自減

// integrate quaternion rate and normalise

//四元素的微分方程

q0 = q0 +(-q1*gxq3*gz)*halfT;

q1 = q1 +(q0*gx + q2*gzq1*gz + q3*gx)*halfT;

q3 = q3 +(q0*gz + q1*gy2 * q3* q3 + 1)* 57.3;// yaw

Q_ANGLE.Y = asin(-2 * q1 * q3 + 2 * q0* q2)* 57.3;// pitch

Q_ANGLE.X = atan2(2 * q2 * q3 + 2 * q0 * q1,-2 * q1 * q1q0q2);

/

vy = 2*(q0q1 + q2q3);

vz = q0q0q2q2 + q3q3;可以看到vx，vy，vz為CRb的最后一列的三項(xiàng)，四元數(shù)矩陣帶入（1）式得vx，vy，vz分別是axB，ayB，azB每一項(xiàng)g前的系數(shù)。且靜止情況下vx，vy，vz組成向量模長基本可以認(rèn)為為1.3.norm = sqrt(ax*ax + ay*ay + az*az);

//acc數(shù)據(jù)歸一化

ax = ax /norm;

ay = ay / norm;

az = az / norm;以上已說，由四元數(shù)倒推回去的加速度，向量模長為1，為了比較誤差進(jìn)行歸1化，算的由加計(jì)得出的向量。4.ex =(ay*vzax*vz);

ez =(ax*vyq2*gyq3*gy)*halfT;

q2 = q2 +(q0*gyq2*gx)*halfT;對四元數(shù)進(jìn)行跟新，這里用的是方程的數(shù)值解法，求得的解釋近似解，總之就是跟新了四元數(shù) 8．

norm = sqrt(q0*q0 + q1*q1 + q2*q2 + q3*q3);

q0 = q0 / norm;

q1 = q1 / norm;

q2 = q2 / norm;

q3 = q3 / norm;對四元數(shù)進(jìn)行規(guī)范化，即化為模長為1，因?yàn)橹挥幸?guī)范化的四元數(shù)才能表示剛體旋轉(zhuǎn)。9．

Q_ANGLE.Y = asin(-2 * q1 * q3 + 2 * q0* q2)* 57.3;// pitch

Q_ANGLE.X = atan2(2 * q2 * q3 + 2 * q0 * q1,-2 * q1 * q1ACC_OFFSET.X;MPU6050_ACC_LAST.Y=((((int16_t)mpu6050_buffer[2])<< 8)| mpu6050_buffer[3])ACC_OFFSET.Z;MPU6050_GYRO_LAST.X=((((int16_t)mpu6050_buffer[8])<< 8)| mpu6050_buffer[9])GYRO_OFFSET.Y;MPU6050_GYRO_LAST.Z=((((int16_t)mpu6050_buffer[12])<< 8)| mpu6050_buffer[13])-GYRO_OFFSET.Z;

這里還要說一點(diǎn)，這里加速計(jì)的數(shù)據(jù)用的是滑動(dòng)平均值濾波法 void Prepare_Data(void){ static uint8_t filter_cnt=0;int32_t temp1=0,temp2=0,temp3=0;uint8_t i;

MPU6050_Read();MPU6050_Dataanl();

ACC_X_BUF[filter_cnt] = MPU6050_ACC_LAST.X;ACC_Y_BUF[filter_cnt] = MPU6050_ACC_LAST.Y;ACC_Z_BUF[filter_cnt] = MPU6050_ACC_LAST.Z;for(i=0;i

temp1 += ACC_X_BUF[i];

temp2 += ACC_Y_BUF[i];

temp3 += ACC_Z_BUF[i];}

ACC_AVG.X = temp1 / FILTER_NUM;ACC_AVG.Y = temp2 / FILTER_NUM;ACC_AVG.Z = temp3 / FILTER_NUM;filter_cnt++;if(filter_cnt==FILTER_NUM)filter_cnt=0;

GYRO_I.X += MPU6050_GYRO_LAST.X*Gyro_G*0.0001;GYRO_I.Y += MPU6050_GYRO_LAST.Y*Gyro_G*0.0001;GYRO_I.Z += MPU6050_GYRO_LAST.Z*Gyro_G*0.0001;} 資料在附帶文件中。

第四篇：動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告四旋翼仿真

動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模仿真

實(shí)驗(yàn)報(bào)告（2）

四旋翼飛行器仿真

2012

1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

基于Simulink建立四旋翼飛行器的懸停控制回路，實(shí)現(xiàn)飛行器的懸?？刂疲?/p>

建立UI界面，能夠輸入?yún)?shù)并繪制運(yùn)動(dòng)軌跡；

基于VR

Toolbox建立3D動(dòng)畫場景，能夠模擬飛行器的運(yùn)動(dòng)軌跡。

2實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^在Matlab

環(huán)境中對四旋翼飛行器進(jìn)行系統(tǒng)建模，使掌握以下內(nèi)容：

四旋翼飛行器的建模和控制方法

在Matlab下快速建立虛擬可視化環(huán)境的方法。

3實(shí)驗(yàn)器材

硬件：PC機(jī)。

工具軟件：操作系統(tǒng)：Windows系列；軟件工具：MATLAB及simulink。

4實(shí)驗(yàn)原理

4.1四旋翼飛行器

四旋翼飛行器通過四個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的升力實(shí)現(xiàn)飛行，原理與直升機(jī)類似。

四個(gè)旋翼位于一個(gè)幾何對稱的十字支架前，后，左，右四端，如圖

所示。旋翼由電機(jī)控制；整個(gè)飛行器依靠改變每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)控制。

圖1四旋翼飛行器旋轉(zhuǎn)方向示意圖

在圖

中，前端旋翼

和后端旋翼

逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而左端旋翼

和右端的旋翼

順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，以平衡旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的反扭轉(zhuǎn)矩。

由此可知，懸停時(shí)，四只旋翼的轉(zhuǎn)速應(yīng)該相等，以相互抵消反扭力矩；同時(shí)等量地增大或減小四只旋翼的轉(zhuǎn)速，會(huì)引起上升或下降運(yùn)動(dòng)；增大某一只旋翼的轉(zhuǎn)速，同時(shí)等量地減小同組另一只旋翼的轉(zhuǎn)速，則產(chǎn)生俯仰、橫滾運(yùn)動(dòng)；增大某一組旋翼的轉(zhuǎn)速，同時(shí)等量減小另一組旋翼的轉(zhuǎn)速，將產(chǎn)生偏航運(yùn)動(dòng)。

4.2建模分析

四旋翼飛行器受力分析,如圖

所示

圖2四旋翼飛行器受力分析示意圖

旋翼機(jī)體所受外力和力矩為：

重力mg,機(jī)體受到重力沿方向；

四個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的升力

(i=

1,2,3,4)，旋翼升力沿方向；

旋翼旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩

(i=

1,2,3,4)。垂直于葉片的旋翼平面，與旋轉(zhuǎn)矢量相反。

力模型為：，旋翼通過螺旋槳產(chǎn)生升力。是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力系數(shù)，可取，為電機(jī)轉(zhuǎn)速。旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩Mi(i=1,2,3,4)，力矩Mi的旋向依據(jù)右手定則確定。力矩模型為，其中是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力系數(shù)，可取為電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)給定期望轉(zhuǎn)速后，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速需要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到。實(shí)際轉(zhuǎn)速與期望轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為一階延遲：響應(yīng)延遲時(shí)間可取0.05s(即)。期望轉(zhuǎn)速則需要限制在電機(jī)的最小轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)速之間，范圍可分取[1200rpm，7800rpm]。

飛行器受到外界力和力矩的作用，形成線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)。線運(yùn)動(dòng)由合外力引起，符合牛頓第二定律：

r為飛機(jī)的位置矢量。

角運(yùn)動(dòng)由合力矩引起。四旋翼飛行器所受力矩來源于兩個(gè)方面：1）旋翼升力作用于質(zhì)心產(chǎn)生的力矩；2）旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩。角運(yùn)動(dòng)方程如下式所示。其中，L

為旋翼中心建立飛行器質(zhì)心的距離，I

為慣量矩陣。

4.3控制回路設(shè)計(jì)

控制回路包括內(nèi)外兩層。外回路由Position

Control

模塊實(shí)現(xiàn)。輸入為位置誤差，輸出為期望的滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航角。內(nèi)回路由Attitude

Control

模塊實(shí)現(xiàn)，輸入為期望姿態(tài)角，輸出為期望轉(zhuǎn)速。Motor

Dynamics

模塊模擬電機(jī)特性，輸入為期望轉(zhuǎn)速，輸出為力和力矩。Rigid

Body

Dynamics

是被控對象，模擬四旋翼飛行器的運(yùn)動(dòng)特性。

圖3包含內(nèi)外兩個(gè)控制回路的控制結(jié)構(gòu)

（1）內(nèi)回路：姿態(tài)控制回路

對四旋翼飛行器，我們唯一可用的控制手段就是四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速。因此，這里首先對轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的作用進(jìn)行分析。假設(shè)我們希望旋翼1的轉(zhuǎn)速達(dá)到，那么它的效果可分解成以下幾個(gè)分量：

：使飛行器保持懸停的轉(zhuǎn)速分量；

：除懸停所需之外，產(chǎn)生沿ZB軸的凈力；

：使飛行器負(fù)向偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速分量；

：使飛行器正向偏航的轉(zhuǎn)速分量；

因此，可以將期望轉(zhuǎn)速寫成幾個(gè)分量的線性組合：

其它幾個(gè)旋翼也可進(jìn)行類似分析，最終得到：

在懸浮狀態(tài)下，四個(gè)旋翼共同的升力應(yīng)抵消重力，因此：

此時(shí)，可以把旋翼角速度分成幾個(gè)部分分別控制，通過“比例-微分”控制律建立如下公式：

綜合以上三式可得到期望姿態(tài)角-期望轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，即內(nèi)回路。

外回路：位置控制回路

外回路采用以下控制方式：通過位置偏差計(jì)算控制信號（加速度）；建立控制信號與姿態(tài)角之間的幾何關(guān)系；得到期望姿態(tài)角，作為內(nèi)回路的輸入。期望位置記為?？赏ㄟ^PID

控制器計(jì)算控制信號：

是目標(biāo)懸停位置是我們的目標(biāo)懸停位置(i=1,2,3)，是期望加速度，即控制信號。注意：懸停狀態(tài)下線速度和加速度均為0，即。

通過俯仰角和滾轉(zhuǎn)角控制飛行器在XW和YW平面上的運(yùn)動(dòng)，通過控制偏航角，通過控制飛行器在ZB軸上的運(yùn)動(dòng)?？傻茫?/p>

根據(jù)上式可按照以下原則進(jìn)行線性化：

（1）將俯仰角、滾轉(zhuǎn)角的變化作為小擾動(dòng)分量，有，，（2）偏航角不變，有，其中初始偏航角，為期望偏航角（3）在懸停的穩(wěn)態(tài)附近，有

根據(jù)以上原則線性化后，可得到控制信號（期望加速度）與期望姿態(tài)角之間的關(guān)系：

則內(nèi)回路的輸入為：

5實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果

（1）

根據(jù)控制回路的結(jié)構(gòu)建立simulink模型；

（2）

為了便于對控制回路進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，利用Matlab軟件為四旋翼飛行器創(chuàng)建GUI參數(shù)界面；

（3）

利用Matlab的VR

Toolbox建立四旋翼飛行器的動(dòng)畫場景

（4）

根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，搭建Simulink模塊以實(shí)現(xiàn)模擬飛行器在指定位置的懸停。使用默認(rèn)數(shù)據(jù)，此時(shí)xdes=3，ydes=4，zdes=5，開始仿真，可以得到運(yùn)動(dòng)軌跡x、y、z的響應(yīng)函數(shù)，同時(shí)可以得到在xyz坐標(biāo)中的空間運(yùn)動(dòng)軌跡。然后點(diǎn)擊GUI中的VR按鈕使simulink的工作空間中載入系統(tǒng)仿真所需的參數(shù)，把x、y、z的運(yùn)動(dòng)軌跡和Roll，Pitch，Yaw輸入至VR中的模擬飛行器中，觀察飛行器的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，然后再使用一組新的參數(shù)xdes=-8，ydes=3，zdes=6進(jìn)行四旋翼飛行器運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真模擬，可以看出仿真結(jié)果和動(dòng)畫場景相吻合。

6實(shí)驗(yàn)總結(jié)與心得

此次MATLAB實(shí)驗(yàn)綜合了SIMULINK、GUI和VR場景等多個(gè)部分，對四旋翼飛行器運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真模擬。由仿真結(jié)果可以看出，四旋翼飛行器最終位置達(dá)到了期望給定的位置，三個(gè)方向的響應(yīng)曲線最終平穩(wěn)，對應(yīng)飛行器懸停在期望位置，達(dá)到了控制要求。

本次試驗(yàn)收獲很多，學(xué)習(xí)到了很多知識，首先是熟悉了SIMULINK由簡至繁搭建系統(tǒng)的過程，學(xué)習(xí)了利用VR建立虛擬模型，并在SIMULINK中連接。其次是熟悉了MATLAB

GUI界面的編寫和搭建過程。Matlab提供了強(qiáng)大的用戶圖形界面，以幫助用戶不必編寫底層程序而直接在軟件包基礎(chǔ)上進(jìn)行自行開發(fā)，這點(diǎn)在諸多軟件中都有所體現(xiàn)。另外通過實(shí)驗(yàn)，對四旋翼飛行器的受力分析、模型建立、控制回路設(shè)計(jì)等有了較為細(xì)致的了解。

第五篇：動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模（四旋翼飛行器仿真）實(shí)驗(yàn)報(bào)告

動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模（四旋翼飛行器仿真）

實(shí)驗(yàn)報(bào)告

院（系）名稱

大飛機(jī)班

學(xué)號

學(xué)生姓名

任課教師

2011年

X月

四旋翼飛行器的建模與仿真

一、實(shí)驗(yàn)原理

I．四旋翼飛行器簡介

四旋翼飛行器通過四個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的升力實(shí)現(xiàn)飛行，原理與直升機(jī)類似。四個(gè)旋翼位于一個(gè)幾何對稱的十字支架前、后、左、右四端，如圖1-1所示。旋翼由電機(jī)控制；整個(gè)飛行器依靠改變每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)控制。

在圖1-1中，前端旋翼1

和后端旋翼3

逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而左端旋翼2

和右端的旋翼4

順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，以平衡旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的反扭轉(zhuǎn)矩。由此可知，懸停時(shí)，四只旋翼的轉(zhuǎn)速應(yīng)該相等，以相互抵消反扭力矩；同時(shí)等量地增大或減小四只旋翼的轉(zhuǎn)速，會(huì)引起上升或下降運(yùn)動(dòng)；增大某一只旋翼的轉(zhuǎn)速，同時(shí)等量地減小同組另一只旋翼的轉(zhuǎn)速，則產(chǎn)生俯仰、橫滾運(yùn)動(dòng)；增大某一組旋翼的轉(zhuǎn)速，同時(shí)等量減小另一組旋翼的轉(zhuǎn)速，將產(chǎn)生偏航運(yùn)動(dòng)。

圖1-1

四旋翼飛行器旋翼旋轉(zhuǎn)方向示意圖

從動(dòng)力學(xué)角度分析，四旋翼飛行器系統(tǒng)本身是不穩(wěn)定的，因此，使系統(tǒng)穩(wěn)定的控制算法的設(shè)計(jì)顯得尤為關(guān)鍵。由于四旋翼飛行器為六自由度的系統(tǒng)（三個(gè)角位移量，三個(gè)線位移量），而其控制量只有四個(gè)（4

個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速），這就意味著被控量之間存在耦合關(guān)系。因此，控制算法應(yīng)能夠?qū)@種欠驅(qū)動(dòng)（under-actuated）系統(tǒng)足夠有效，用四個(gè)控制量對三個(gè)角位移量和三個(gè)線位移量進(jìn)行穩(wěn)態(tài)控制。本實(shí)驗(yàn)針對四旋翼飛行器的懸浮飛行狀態(tài)進(jìn)行建模。

II．飛行器受力分析及運(yùn)動(dòng)模型

（1）整體分析

如圖1-2所示，四旋翼飛行器所受外力和力矩為：

?

重力mg，機(jī)體受到重力沿-Zw方向

?

四個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的升力Fi(i=1,2,3,4)，旋翼升力沿ZB方向

?

旋翼旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩Mi

(i=1,2,3,4)，Mi垂直于葉片的旋翼平面，與旋轉(zhuǎn)矢量相反。

圖1-2

四旋翼飛行器受力分析

（2）電機(jī)模型

?

力模型

（1.1）

旋翼通過螺旋槳產(chǎn)生升力。是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力系數(shù)，可取，為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

?

力矩模型

旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩Mi(i=1,2,3,4)，力矩Mi的旋向依據(jù)右手定則確定。

（1.2）

是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力系數(shù)，可取為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

?

轉(zhuǎn)速模型

當(dāng)給定期望轉(zhuǎn)速后，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速需要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到。實(shí)際轉(zhuǎn)速與期望轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為一階延遲：

（1.3）

響應(yīng)延遲時(shí)間可取0.05s(即)。期望轉(zhuǎn)速則需要限制在電機(jī)的最小轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)速之間，范圍可分取[1200rpm，7800rpm]。

（3）運(yùn)動(dòng)方程

飛行器受到外界力和力矩的作用，形成線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)。線運(yùn)動(dòng)由合外力引起，符合牛頓第二定律，如公式(1.4)所示：

（1.4）

r為飛機(jī)的位置矢量。注意：公式（1.4）是在地平面坐標(biāo)系中進(jìn)行描述的。

角運(yùn)動(dòng)由合力矩引起。四旋翼飛行器所受力矩來源于兩個(gè)方面：1）旋翼升力作用于質(zhì)心產(chǎn)生的力矩；2）旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩。角運(yùn)動(dòng)方程如公式（1.5）所示。其中，L

為旋翼中心建立飛行器質(zhì)心的距離，I

為慣量矩陣。

（1.5）

III．控制回路設(shè)計(jì)

控制回路包括內(nèi)外兩層。外回路由Position

Control

模塊實(shí)現(xiàn)。輸入為位置誤差，輸出為期望的滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航角。內(nèi)回路由Attitude

Control

模塊實(shí)現(xiàn)，輸入為期望姿態(tài)角，輸出為期望轉(zhuǎn)速。Motor

Dynamics

模塊模擬電機(jī)特性，輸入為期望轉(zhuǎn)速，輸出為力和力矩。Rigid

Body

Dynamics

是被控對象，模擬四旋翼飛行器的運(yùn)動(dòng)特性。如圖1-3

圖1-3

包含內(nèi)外兩個(gè)控制回路的控制結(jié)構(gòu)

（1）內(nèi)回路：姿態(tài)控制回路

對四旋翼飛行器，我們唯一可用的控制手段就是四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速。因此，這里首先對轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的作用進(jìn)行分析。假設(shè)我們希望旋翼1的轉(zhuǎn)速達(dá)到，那么它的效果可分解成以下幾個(gè)分量：

：使飛行器保持懸停的轉(zhuǎn)速分量；

：除懸停所需之外，產(chǎn)生沿ZB軸的凈力；

：使飛行器負(fù)向偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速分量；

：使飛行器正向偏航的轉(zhuǎn)速分量；

因此，可以將期望轉(zhuǎn)速寫成幾個(gè)分量的線性組合：

（1.6）

其它幾個(gè)旋翼也可進(jìn)行類似分析，最終得到：

（1.7）

在懸浮狀態(tài)下，四個(gè)旋翼共同的升力應(yīng)抵消重力，因此：

（1.8）

此時(shí)，可以把旋翼角速度分成幾個(gè)部分分別控制，通過“比例-微分”控制律建立如下公式：

（1.9）

綜合式（1.7）、（1.8）、（1.9）可得到期望姿態(tài)角-期望轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，即內(nèi)回路。

（2）外回路：位置控制回路

外回路采用以下控制方式：

?

通過位置偏差計(jì)算控制信號（加速度）；

?

建立控制信號與姿態(tài)角之間的幾何關(guān)系；

?

得到期望姿態(tài)角，作為內(nèi)回路的輸入。

期望位置記為?？赏ㄟ^PID

控制器計(jì)算控制信號：

（1.10）

是目標(biāo)懸停位置是我們的目標(biāo)懸停位置(i=1,2,3)，是期望加速度，即控制信號。注意：懸停狀態(tài)下線速度和加速度均為0，即。

通過俯仰角和滾轉(zhuǎn)角控制飛行器在XW和YW平面上的運(yùn)動(dòng)，通過控制偏航角，通過控制飛行器在ZB軸上的運(yùn)動(dòng)。對（1.4）進(jìn)行展開，可得到：

（1.11）

根據(jù)上式可按照以下原則進(jìn)行線性化：

（1）將俯仰角、滾轉(zhuǎn)角的變化作為小擾動(dòng)分量，有，，（2）偏航角不變，有，其中初始偏航角，為期望偏航角（3）在懸停的穩(wěn)態(tài)附近，有

根據(jù)以上原則線性化后，可得到控制信號（期望加速度）與期望姿態(tài)角之間的關(guān)系：

（1.12）

根據(jù)式(1.10)已經(jīng)通過PID

控制器得到了作為控制信號的期望加速度，因此，將（1.12）式反轉(zhuǎn)，由期望加速度計(jì)算期望姿態(tài)角，作為內(nèi)回路的輸入：

（1.13）

二、實(shí)驗(yàn)步驟

I．搭建Simulink仿真控制回路

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中運(yùn)動(dòng)方程及控制回路設(shè)計(jì)，搭建Simulink控制回路，如圖2-1所示。主要分為五個(gè)部分：Position

Control（由期望的位置誤差通過控制律設(shè)計(jì)計(jì)算出期望的姿態(tài)角），Attitude

Control（由姿態(tài)角信息和各軸角速度信息通過控制律計(jì)算出給電機(jī)的控制信號），Motor

Dynamics（通過給電機(jī)的控制信號由電機(jī)模型計(jì)算出每個(gè)電機(jī)的輸出力和力矩），Rigid

Body

Dynamics為四旋翼飛行器的仿真模型，由產(chǎn)生的力和力矩計(jì)算出仿真模型的姿態(tài)和位置信息，VR

Sink為四旋翼飛行器的虛擬顯示模型。

圖2-1

仿真Simulink模型

下面給出每個(gè)子系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖及控制律設(shè)計(jì)部分。

圖2-2

Position

Control子系統(tǒng)

圖2-3

位置PID控制器結(jié)構(gòu)

圖2-4

Attitude

Control子系統(tǒng)

圖2-5

姿態(tài)角和三軸角速度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

圖2-6

Motor

Dynamics子系統(tǒng)輸出力及力矩模型

圖2-7

Rigid

Body

Dynamics子系統(tǒng)

II．利用V-Realm

Builder建立四旋翼飛行器的虛擬模型

利用V-Realm

Builder建立四旋翼飛行器的大致虛擬模型，并建立四個(gè)父類分別為Simulink輸入提供質(zhì)心位移信息和機(jī)體姿態(tài)信息，如圖2-8所示。

圖2-8

四旋翼飛行器虛擬模型

III．利用MATLAB

GUI建立四旋翼飛行器仿真的控制界面

利用MATLAB

GUI建立仿真控制界面，所建立的控制界面如圖2-9所示。

圖2-9

MATLAB

GUI仿真控制界面

界面主要分為四個(gè)部分，Struct

Parameters

Panel設(shè)置飛行器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和外部變量，Desired

Position

Panel設(shè)置期望控制飛行器所到達(dá)的位置，Control

Parameters

Panel設(shè)置PID控制律所需的增益參數(shù)和仿真時(shí)間，Plot

Panel顯示仿真結(jié)果圖形并對圖形效果進(jìn)行簡單的控制。

三、仿真結(jié)果

運(yùn)行GUI，輸入所需參數(shù)或者采用默認(rèn)參數(shù)，點(diǎn)擊load

data按鈕分別將三組參數(shù)載入，點(diǎn)擊Start按鈕，仿真開始運(yùn)行。跳出VR顯示，并在仿真結(jié)束后繪制飛行器三方向的坐標(biāo)信息曲線和飛行器位置曲線。VR顯示過程中某一時(shí)刻如圖3-1所示，仿真結(jié)束后控制界面顯示的曲線如圖3-2所示。期望達(dá)到的目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置為（10,15,20）。

圖3-1

VR顯示四旋翼飛行器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

圖3-2

四旋翼飛行器控制平臺

四、總結(jié)與體會(huì)

由仿真結(jié)果可以看出，四旋翼飛行器最終位置達(dá)到了期望給定的位置，三個(gè)方向的響應(yīng)曲線最終平穩(wěn)，對應(yīng)飛行器懸停在期望位置，達(dá)到了控制要求。本次試驗(yàn)收獲很多，學(xué)習(xí)到了很多知識，熟悉了SIMULINK由簡至繁搭建系統(tǒng)的過程，學(xué)習(xí)了利用V-Realm

Builder建立虛擬模型，并在SIMULINK中連接，也熟悉了MATLAB

GUI界面的編寫和搭建過程。