四旋翼飛行器的飛行姿態控制研究與實現

盧耀翔 張加斯 陳思佳

摘? 要：四旋翼飛行器是一種多旋翼無人機，能夠垂直起降，自由懸停，在軍事和民用方面具有廣泛的應用前景。論文采用動力學模型來進行四旋翼飛行器飛行姿態的描述。主要運動狀態有偏航運動，俯仰運動，滾轉運動和懸停。在MATLAB/simulink的環境下建立動力學模型并進行仿真。采用PID控制對以上姿態進行控制。

關鍵詞：四旋翼飛行器;動力學模型;MATLAB/simulink

1.前 言

在生活當中我們也處處使用著無人機。如地質、氣象、農業、搶險救災、航拍等。這大大拓展了無人機本身的用途，發達國家也在積極擴展行業應用與發展無人機技術。尤其是四旋翼飛行器，也稱四旋翼直升機，是一種有4個螺旋槳呈十字交叉的飛行器。

有四個螺旋槳的飛行器，四個旋翼與機體的前、后、左、右四個方向是一一對應的，它的四個旋翼高度平面是統一的，而且直徑和構造都是一樣的。它的四個馬達控制分別安裝在飛行器的支架端。

如果要改動四旋翼的轉速我們就要用到它的多個電機，這要做就能提高該飛行器的升力，從而能控制飛行器的飛行 姿勢和它所在的地方。但是為四旋翼飛行器選擇適合的控制方法并對其進行合理的控制和仿真是非常困難的。導致此現象的主要原因是四旋翼飛行器具有不穩定、復雜、非線性動力學特性。目前國外的控制方法有自適應、變結構、智能以及PID等，這些主要解決四旋翼飛行器非線性等問題。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直起降機。

四旋翼飛行器有垂直起降，自由懸停，可適應于各種速度及飛行剖面航路的飛行狀況等優點。四旋翼飛行器的這些優勢使得它的應用范圍非常廣泛，不但具有一般戰場需要的偵查監視、為其他作戰武器指示目標等作戰功能，還可以作為武器投放平臺參加戰斗。而且還能進行地震、火災救援等。在地質和生態領域對四旋翼飛行器也有一定的應用，主要用于測繪、地形勘察、環境監測等。還可以在四旋翼飛行器上面安裝攝像頭，利用攝像頭可以進行攝像與航拍。

2 四旋翼飛行器動力學模型

2.1坐標系

需要建立兩個坐標系：機體坐標系和慣性坐標系（如圖2所示）。對于四旋翼飛行器來說，如果坐標系建立的比較合適的話，就能夠使得運動方程更加簡單，分析、求解起來也比較容易。我們可以選用機體坐標系，來對飛行器的移動進行描述。選用慣性坐標系，來確定飛行器的方位。

2.2歐拉角

定義一個物體相對于基準坐標系的方位時，要用到一系列的純旋轉。這就形成了一個正交變換。有關的旋轉角就稱歐拉角，它們唯一地確定了物體的方位。在圖2 中定義歐拉角如下：

3.1 四旋翼飛行器 PID 控制

四旋翼飛行器的動力學模型復雜，受外界影響較大，對控制器的自適應和魯棒特性要求都比較高。控制四旋翼飛行器，首先，四個電機，如何控制側傾？如果只是考慮控制一個電機來側傾，這不嚴謹，因為當動作其中一個電機時轉速的變化改變了反扭矩的大小而對角的另一個電機產生的扭矩沒有改變，此時四旋翼不僅側傾還會在 yaw 上面產生額外的運動，所以控制電機應該成對去控制。

由仿真結果可以表明此模型模擬了飛行器的垂直起降過程以及俯仰角，偏航角，滾轉角的變化過程。

參考文獻

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基金項目：嘉興學院南湖學院SRT資助項目