四旋翼直升機(jī)姿態(tài)控制設(shè)計(jì).

1、四旋翼直升機(jī)姿態(tài)控制設(shè)計(jì)四旋翼直升機(jī)的基本工作原理四旋翼直升機(jī)的基本工作原理 當(dāng)前旋翼和尾旋翼順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，左旋翼和右旋翼逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并且四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速一致，產(chǎn)生的升力之和等于直升機(jī)自重時(shí)，直升機(jī)可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)懸停。如果產(chǎn)生的升力同時(shí)增加和減少，那么四旋翼直升機(jī)可以實(shí)現(xiàn)上升或者下降。 當(dāng)前旋翼和尾旋翼加速且左旋翼和右旋翼減速，同時(shí)四個(gè)旋翼產(chǎn)生的升力和直升機(jī)自重相等時(shí)，由于存在扭矩差，可導(dǎo)致直升機(jī)的偏航運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)前旋翼加速，尾旋翼減速而左旋翼和右旋翼的旋轉(zhuǎn)速度保持不變時(shí)，四旋翼直升機(jī)可以實(shí)現(xiàn)X軸的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即俯仰運(yùn)動(dòng)。同理，也可實(shí)現(xiàn)Y軸的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。飛行器姿態(tài)控制飛行器姿態(tài)控制控制控制設(shè)計(jì)設(shè)

2、計(jì)parametermglbkValue0.4689.810.225unitsKgm四旋翼直升機(jī)設(shè)計(jì)的參數(shù)如下：選擇參考信號(hào)為0度，利用所設(shè)計(jì)的姿態(tài)控制律進(jìn)行仿真控制： （1）姿態(tài)角 經(jīng)觀察，當(dāng)在t=9.1s的時(shí)刻，三個(gè)角度趨于穩(wěn)定，接近0度。 012345678910-0.04-0.03-0.02-0.0100.010.020.030.040.050.06時(shí)間 (seconds)data時(shí)序圖: （2）姿態(tài)角速度： 分析：姿態(tài)角速度，基本在t=1.7s趨于穩(wěn)定。012345678910-2-101234時(shí)間 (seconds)data時(shí)序圖: （3）姿態(tài)角加速度 分析：由加速度的動(dòng)態(tài)變化圖分

3、析，三個(gè)姿態(tài)角的加速度幾乎迅速趨于0，穩(wěn)定性好，但是在初始處出現(xiàn)突變峰值。012345678910-800-600-400-2000200400600800時(shí)間 (seconds)data時(shí)序圖: (1)姿態(tài)角分析：當(dāng)在t=8.2s的時(shí)刻，三個(gè)角度趨于穩(wěn)定，接近0.3rad，且變化同步。與0階躍的連續(xù)信號(hào)相比，趨于穩(wěn)定的時(shí)間變短，但峰值變化相比較大。選擇俯仰角，橫滾角和偏航角的參考信號(hào)為幅度20度的階躍信號(hào)0246810-0.100.10.20.30.40.50.6時(shí)間 (seconds)data時(shí)序圖: （2）姿態(tài)角速度 分析：當(dāng)在t=1.7s的時(shí)刻，三個(gè)角度趨于穩(wěn)定，接近0度。 可以看出，

4、趨于穩(wěn)定的速度與參考信號(hào)為0幅值的信號(hào)相比，幾乎一樣。但是在初始階段會(huì)出現(xiàn)突變峰值。0246810-2-101234時(shí)間 (seconds)data時(shí)序圖: （3）姿態(tài)角加速度分析：三個(gè)姿態(tài)角在大約0.5s的時(shí)刻，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，這是極不穩(wěn)定的情況，要盡量避免此類峰值。0246810-800-600-400-2000200400600800時(shí)間 (seconds)data時(shí)序圖: （1）姿態(tài)角 分析：輸入?yún)⒖夹盘?hào)為幅度20的正弦信號(hào)，由角度信號(hào)知,大約在t=3.2s時(shí)刻，輸出角度跟蹤上了輸入?yún)⒖夹盘?hào)。但是相位角不同步。選擇俯仰角，橫滾角和偏航角的參考信號(hào)為幅度20度的正弦參考信號(hào)0123456

5、78910-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8時(shí)間 (seconds)data時(shí)序圖: （2）姿態(tài)角速度 分析：在接近0的時(shí)刻，三個(gè)姿態(tài)角均出現(xiàn)幅值大幅度變化的情況。但是只在t=0一瞬間，可以忽略。隨后，在t=1.2s左右，達(dá)到穩(wěn)定，但是相位不同步。012345678910-2-1012345時(shí)間 (seconds)data時(shí)序圖: （3）姿態(tài)角加速度 分析：由角加速度的時(shí)序圖得知，在t=0s的瞬間，存在一個(gè)幅度較大的脈沖信號(hào)，之后很快趨于0.012345678910-600-400-200020040060080010001200時(shí)間 (seconds)data時(shí)序圖:

6、根據(jù)系統(tǒng)輸出的每個(gè)時(shí)刻飛行器的角度，角速度，角度跟蹤誤差，控制輸入繪制二維曲線圖。 (1)姿態(tài)角012345678910-1.5-1-0.500.511.5時(shí)間 (seconds)data時(shí)序圖: faithetpfai012345678910-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8時(shí)間 (seconds)data時(shí)序圖:012345678910-0.100.10.20.30.40.50.6時(shí)間 (seconds)data時(shí)序圖: faithetpfai分析:通過(guò)比較12，得出，在增大幅值，改變相角后，對(duì)飛行角度的影響沒(méi)有質(zhì)上的差距，僅僅是相應(yīng)的幅值增大，相角改變。通過(guò)比較2

7、3得出，姿態(tài)角趨于穩(wěn)定的時(shí)間不同，對(duì)比知，幅值為20度的階躍信號(hào)趨于穩(wěn)定的速度比正弦信號(hào)慢。 （2）姿態(tài)角速度012345678910-2-10123456時(shí)間 (seconds)data時(shí)序圖: 012345678910-2-101234時(shí)間 (seconds)data時(shí)序圖: faithetpfai012345678910-2-101234時(shí)間 (seconds)data時(shí)序圖: faithetpfai通過(guò)比較12，知參考信號(hào)的幅值和相位改變之后，角速度僅僅是相應(yīng)相位和幅值上產(chǎn)生變化，在其他量上沒(méi)有發(fā)生變化。通過(guò)比較23，得出，階躍信號(hào)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的突變峰值，這對(duì)飛行器的控制可能會(huì)產(chǎn)生一定

8、影響。 (3)控制輸入：01234567891002004006008001000120014001600時(shí)間 (seconds)data時(shí)序圖: w1w2w3w401234567891005001000150020002500300035004000時(shí)間 (seconds)data時(shí)序圖:01234567891005001000150020002500300035004000時(shí)間 (seconds)data時(shí)序圖: w1w2w3w4分析：由12可以得出，w1,w3在趨于穩(wěn)定時(shí)均有周期性的波動(dòng)，并且隨著參考信號(hào)幅值的減小波動(dòng)相應(yīng)的減小。w2,w4則穩(wěn)定性良好，沒(méi)有波動(dòng)，且w1,w2波動(dòng)的周期一

9、致，另外，w1,w3,w4的幅值在一個(gè)水平線上波動(dòng)，而w2始終在0值附近波動(dòng)。 (4)角度跟蹤誤差：012345678910-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81時(shí)間 (seconds)data時(shí)序圖:012345678910-0.500.51時(shí)間 (seconds)data時(shí)序圖:012345678910-0.500.51時(shí)間 (seconds)data時(shí)序圖: faithetpfai分析:姿態(tài)角跟蹤，即angle(有動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)控制的三個(gè)姿態(tài)角)-r(參考信號(hào)的三個(gè)姿態(tài)角),由時(shí)序圖12知，均在經(jīng)過(guò)大約3s時(shí)，姿態(tài)跟蹤趨于正常。通過(guò)23比較知，姿態(tài)角的跟蹤實(shí)現(xiàn)同步的時(shí)間幾乎均為3s。但是對(duì)于參考信號(hào)為20度的階躍信號(hào)，在初始階段，有峰值出現(xiàn)，正弦信號(hào)相對(duì)峰值較小。 因此，綜上所述，在運(yùn)用多回路方法控制飛行器的三個(gè)姿態(tài)角時(shí)，在初始階段，容易出現(xiàn)突變峰值，但是，綜合比較，選用參考信號(hào)為正弦信號(hào)產(chǎn)生的尖峰更小相比于階躍信號(hào)。因此，為了避免此類峰值出現(xiàn)，最好選用正弦信號(hào)；另外，三個(gè)姿態(tài)角在角度，角速度的變化情況上，基本上與參考信號(hào)變化成正比。 通過(guò)這門(mén)課程設(shè)計(jì)，讓我們學(xué)會(huì)了根據(jù)設(shè)計(jì)要求開(kāi)展設(shè)計(jì)工作，能聯(lián)系實(shí)際深入掌握關(guān)于飛行器控制設(shè)計(jì)專業(yè)的