还剩7页未读,继续阅读
文本内容:
四旋翼无人机的数学模型控制及操作原理__吕传庆陈琪马云波董珮璠摘要本文对选择四旋翼无人机为研究对象,用数学建模的方法对其动力及运动状态进行分析,对所建动力学模型上进行PID算法控制,仿真结果很好模拟了真实环境下无人机的飞行姿态关键字四旋翼,建模,PID算法引言无人机的发展现状及未来趋势:无人驾驶飞机简称“无人机”,是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机在军事上及民用上均有深入发展军事上以其体积小、重量轻、机动性好、飞行时间长和便于隐蔽为特点,适合于执行危险性大的任务,已逐渐成为新世纪军事竞争的制高点之一,随着信息时代的发展,现代信息化战争正朝着高精度,高杀伤,高重复利用,隐蔽性方面发展,无人机以其特殊优势很好适应了未来战争中提出的要求,正发挥着越来越大的作用,成为军队实现信息化作战及特种作战的有力武器能研制高精尖无人机的国家屈指可数,其中美国处于领先地位,作战无人机包括RQ-1捕食者”,”MQ-9“死神”Reaper,RQ-5“猎手”等;侦察机包括RQ-4A“全球鹰”,RQ-8A“火力侦察兵”等美国曾在___战争,阿富汗战争中用无人机完成各种监视侦查,目标指示等任务,提供大量情报支持,表现突出,有力的减小了美军伤亡,因此无人机受到美军军事部门高度重视现已发展至舰载无人机x-47b中国无人机水平也处于世界领先水平,以能研制各种功能齐全的无人机如三角翼布局的暗剑无人机,和与捕食者无人机相当的翼龙、彩虹系列无人机其中彩虹系列无人机和翼龙系列无人机不但在本国服役,还成功出口到中东及非洲国家,例如___,埃及,阿联酋并在___投入到对于极端组织的打击,完成了首次实战在民用方面,无人机还广泛用于农业,通信救灾,地形勘探等方面如今互联网时代的到来,网购成为越来越多90后的选择无人机在快递行业局域光辉前景,无人机的发展将给快递行业带来__性变化所以无人机行业的发展无论对于军队装备发展还是经济发展均具有重要意义四旋翼无人机的特点
1、机动性能,低空性能出色能在城市,森林等复杂环境下完成各种任务可完成空中悬停监视侦查实现对动力要地低,能在狭小空间穿行,能垂直起降,对起降环境要求低
2、对动力要求较小,产生的噪音低,隐蔽性高,安全性能出色四旋翼无人机采用四个马达提供动力,可使飞行更加稳定和精确工作噪音小,军事上可提高战场生存能力,民用上不会影响居民生活
3、结构简单,运行、控制原理相对容易掌握
4、成本较低,零件容易更换,维护方便
5、功能强大,可完成情报获取,战场侦查,通信中继,目标跟踪,航拍成像,抢险救灾,快递投送等任务四旋翼无人机的动力学模型模型假设:(如图)
1、飞机视为刚体,运动过程中不发生弹性形变
2、四个电机电流稳定,提供升力相同
3、四根机翼正交__,无人机重心位于几何重心
4、飞行环境无风,无较大气流扰动,忽略空气阻力影响飞行原理调节四个电机旋翼转速,实现升力的变化,从而控制飞行器的姿态四旋翼飞行器的电机1和电机3逆时针旋转的同时,电机2和电机4顺时针旋转,消除陀螺效应和空气动力扭矩效应飞行状态
(1)垂直运动同时增加四个电机的输出功率,旋翼转速增加使得总的拉力增大,克服整机体重力使四旋翼飞行器离地垂直上升;反之,同时降低旋翼转速,四旋翼飞行器则垂直下降当外界扰动量为零时,在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时,飞行器保持悬停状态
(2)俯仰运动提高电机1的转速,降低电机3的,电机
2、电机4的转速保持不变
(3)翻转运动改变电机2和电机4的转速,保持电机1和电机3的转速不变
(4)转向运动保证对角线上的两个旋翼转动方向相同当四个电机转速相同时,四旋翼飞行器不发生转动;当四个电机转速不完全相同时,引起四旋翼飞行器转动
(5)前后运动提高电机3转速,相应减小电机1转速,同时保持其它两个电机转速不变
(6)侧向运动提高电机2或4的转速,相应减小电机4或2的转速,同时保持其它两个电机转速不变模型建立地面坐标系的建立地面坐标系原点A固定在地面的某点,铅垂轴向上AZ为正,横轴AX与纵轴AY水平面内互相垂直用表示航程、表示侧向偏离向右为正、表示飞行高度机体坐标系建立及受力分析机体中心为坐标原点,GPS箭头所指方向为正前方,为x轴方向,x轴顺时针旋转90度方向为y轴方向,与xy平面垂直,并与x轴y轴成右手直角坐标系的方向为z轴方向飞机的常用运动参数1)偏航角ψ机体坐标系内Bx轴在水平面EXY上的投影与EX轴的夹角2)俯仰角θ机体坐标系内Byz面与水平面EXY的夹角3)滚转角机体坐标系内Bxz面与水平面EXY的夹角4)螺旋桨推力T5)空气阻力F6)螺旋桨转矩M阻力矩7)螺旋桨推力系数8)螺旋桨转速9)空气阻力系数10)线速度S11)螺旋桨转矩系数12)空气的阻力矩系数13)角速度运动分析螺旋桨满足以__程机体坐标系下无人机受到的升力为其中i表示对应旋翼编号地面坐标系到机体坐标系的转换矩阵地面坐标系下其中sin函数、cos函数分别用S、C表示地面坐标系下飞机受力情况利用牛顿第二定律并结合
(4)、
(5)式得设机体绕三轴的转动惯性,p、q、r表示机体坐标系下无人机旋转角速度表示无人机三轴方向上空气的阻力矩L表示无人机的重心与四个旋翼的几何中心的距离,有以__程小角度情况下可近似认为由
7、9得地面坐标系下角加速度由模型假设条件可得无人机运动数学模型PID控制算法结构分析在动力学模型的基础上,将小型四旋翼飞行器实时控制算法分为两个控制回路,即位置控制回路和姿态控制回路算法结构如图B-1所示图2-1四旋翼飞行器控制算法结构图控制回路包含了三个控制量,因此设计3个__的PID控制器对位移进行控制设分别为比例项、积分项和微分项系数,有
(13)其中,为航姿参考系统测量到的加速度积分得到的位移量姿态控制回路有偏航角、俯仰角和横滚角三个控制量,设计3个__的PID控制器对每个量进行__控制
(14)设分别为比例项、积分项和微分项系数,有方程如下
(15)模拟结果结果显示PID控制器能有效控制无人机的飞行姿态和速度,控制量在很短时间内达到预期效果结论本文以四旋翼无人机为研究对象,采用数学建模的方式构建无人机的飞行姿态,并运用PID算法进行姿态仿真结果表明此模型能很好满足四旋翼无人机的控制要求但是与实际情况相比,本模型没有充分考虑干扰无人机运动的各项因素,模型较为理想化比如忽略空气阻力,气流扰动无人机重心不在其几何重心等实际存在问题,因此还需对数据进行进一步测试与校准鸣谢感谢首首都师范大学条装处对此项目提供经费支持谨向导师李振宇致以深深的感谢和崇高的敬意___在本课题中充分发挥了指明灯和引路者的作用本课题涉及知识较为陌生且复杂,在李振宇导师的悉心指导下顺利解决了许多研究工作中的问题从选题,开展思路,研究方法,结果评估到论文的撰写,都得到了___的全面和耐心地指导和帮助____1申安玉,申学仁,李云保.自动场行控制系统,第I版.北京国防工业出版社,20032肖顺达.飞行自动控制系统上,第l版.北京国防工业出版社,19803肖顺达.飞行自动控制系统下,第l版,北京国防工业出版社,19824文传源.飞行控制系统,第l版.北京:北京____人学出版社,19925肖业伦.飞行器运动方程,第l版.北京__工业出版社,19876张明廉.飞行控制系统,第l版.北京国防工业出版社,1984789王宗学.飞行器控制系统概述,第I版.北京北京____大学出版社,199410刘金砚.先进PID控制及其__TLAB仿真,第l版.北京:电子工业出版社,200311陶永华.新型PID控制及其应用,第2版.北京机械工业出版社,200212胡寿松.自动控制原理,第3版.北京国防工业出版社,19941314薛定宇.反馈控制系统分析与设计—__TLAB谙言应用,第I版.北京清华大学出版社,2000。