四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件

1、四旋翼飛行器的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)邱麗四旋翼飛行器的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)邱麗飛行控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)一、四旋翼飛行器選型二、四旋翼飛控器控制的特點(diǎn)三、四旋翼飛行控制系統(tǒng)的基本工作原理四、飛行控制器總體結(jié)構(gòu)五、四旋翼飛行器模型六、姿態(tài)解算七、控制算法：PID控制、滑?？刂?、魯棒控制、Kalman濾波等飛行控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)一、四旋翼飛行器選型方案一、買(mǎi)整機(jī)改裝：重點(diǎn)在控制器的設(shè)計(jì)、改善飛行品質(zhì)上，忽略底層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模型搭建瑣碎問(wèn)題。方案二、買(mǎi)配件后自己組裝：大量時(shí)間和精力放在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零件選取購(gòu)買(mǎi)上。建議：方案一，選成熟的“X”型四旋翼飛行器一、四旋翼飛行器選型方案一、買(mǎi)整機(jī)改裝：重點(diǎn)在控制器的設(shè)計(jì)、改善飛行

2、品質(zhì)上，忽略四旋翼飛行器選型需考慮的幾個(gè)主要參數(shù)：重量：遙控模型重量（含電池）、有效載重量（和海拔、電池、環(huán)境有關(guān)，需夠攜帶一微型攝像機(jī)）。尺寸：機(jī)身全長(zhǎng)、機(jī)身寬、機(jī)高、旋翼直徑。飛行時(shí)間：無(wú)線控制動(dòng)力：電池供電、四電機(jī)驅(qū)動(dòng)一、四旋翼飛行器選型四旋翼飛行器選型需考慮的幾個(gè)主要參數(shù)：一、四旋翼飛行器選型例1：Draganflyer IV級(jí)遙控模型主要參數(shù)例1：Draganflyer IV級(jí)遙控模型主要參數(shù)例2：華科爾4#遙控模型主要參數(shù)華科爾4#是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，它把三個(gè)陀螺儀作為反饋來(lái)穩(wěn)定控制滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航。閉環(huán)控制有兩優(yōu)點(diǎn)：一是機(jī)身旋轉(zhuǎn)和操控員命令相對(duì)應(yīng)；二，糾正外部來(lái)的干擾（如：風(fēng)）例

3、2：華科爾4#遙控模型主要參數(shù)華科爾4#是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)四旋翼飛行器有四個(gè)輸入力、六個(gè)輸出（即六自由度，包括繞三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)：俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)，重心三個(gè)軸的線運(yùn)動(dòng)：進(jìn)退、左右、側(cè)飛和升降），所以它是一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（少輸入多輸出系統(tǒng)）。這種系統(tǒng)容易導(dǎo)致不穩(wěn)定，需要確保長(zhǎng)期穩(wěn)定的控制方法。二、四旋翼飛行器控制的特點(diǎn)四旋翼飛行器有四個(gè)輸入力、六個(gè)輸出（即六自由度，包括繞三個(gè)軸四旋翼飛行器的輸入就是每個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)力矩之和。俯仰運(yùn)動(dòng)是由加大（或減小）后端旋翼速度，同時(shí)減?。ɑ蚣哟螅┣岸诵磙D(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的。滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即加大（或減小）左側(cè)旋翼轉(zhuǎn)速，同時(shí)減小（或加大）右側(cè)旋翼轉(zhuǎn)速。偏航運(yùn)動(dòng)是由加大（或減?。┣昂?/p>

4、旋翼的轉(zhuǎn)速，減?。ɑ蚣哟螅﹥蓚?cè)翼的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的。二、四旋翼飛行器控制的特點(diǎn)四旋翼飛行器的輸入就是每個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)力矩之和。俯仰運(yùn)動(dòng)是由加四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖三、四旋翼飛器系統(tǒng)的基本工作原理四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖三、四旋翼飛器系統(tǒng)的基本工作原理四、四旋翼飛控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)整個(gè)飛行控制系統(tǒng)包括傳感器模塊、四電機(jī)控制模塊、中心控制模塊、無(wú)線通信模塊和地面控制站等部分四、四旋翼飛控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)整個(gè)飛行控制系統(tǒng)包括傳感器模塊、四五、四旋翼飛行器平動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型平動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型m四旋翼直升機(jī)質(zhì)量 直升機(jī)平動(dòng)位置， =x y z G 重力加速度，G=0 0 g 直升機(jī)四個(gè)螺旋槳總升力 平動(dòng)拖拽力系數(shù)

5、五、四旋翼飛行器平動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型平動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型五、四旋翼飛行器平動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型 其中其中， 螺旋槳i產(chǎn)生的升力 R 為從地面坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣五、四旋翼飛行器平動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型 其中五、四旋翼飛行器模型建立 平動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型 轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型五、四旋翼飛行器模型建立 平動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型五、四旋翼飛行器非線性運(yùn)動(dòng)方程五、四旋翼飛行器非線性運(yùn)動(dòng)方程五、模型簡(jiǎn)化 的組合簡(jiǎn)化 簡(jiǎn)化三角函數(shù) 忽略二次項(xiàng)相乘，認(rèn)為是高階小項(xiàng)五、模型簡(jiǎn)化 的組合簡(jiǎn)化五、模型簡(jiǎn)化五、模型簡(jiǎn)化 選擇后四行進(jìn)行控制 輸出量 輸入量 控制三個(gè)位置x，y，z； 控制橫滾角 ； 控制俯仰角 ； 控制偏航角 五、傳遞函數(shù)矩陣 選擇后四行進(jìn)

6、行控制五、傳遞函數(shù)矩陣六、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航姿態(tài)解算硬件加速度計(jì)、陀螺儀、數(shù)字羅盤(pán)加速度計(jì)輸出基于載體坐標(biāo)系的加速度，數(shù)字羅盤(pán)輸出基于載體坐標(biāo)系的磁場(chǎng)強(qiáng)度，二者結(jié)合可解算出三軸姿態(tài)角（橫滾、俯仰、偏航）陀螺輸出三個(gè)軸向的角速度，積分運(yùn)算得到載體的姿態(tài)角數(shù)據(jù)融合低成本固態(tài)陀螺的性能較差，能保證短時(shí)間內(nèi)的測(cè)量精度，響應(yīng)速度快，但長(zhǎng)時(shí)間產(chǎn)生漂移采用加速度計(jì)和數(shù)字羅盤(pán)聯(lián)合輸出值數(shù)據(jù)穩(wěn)定，補(bǔ)償陀螺儀的漂移六、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航姿態(tài)解算硬件六、加速度計(jì)、數(shù)字羅盤(pán)解算姿態(tài)觀測(cè)向量速度計(jì)可以測(cè)得重力加速度在載體坐標(biāo)系X軸、Y軸上的分量 、 ，根據(jù)幾何關(guān)系得到 偏航角 通過(guò)數(shù)字羅盤(pán)得到六、加速度計(jì)、數(shù)字羅盤(pán)解算姿態(tài)觀測(cè)向量速度計(jì)可以測(cè)得重力六、陀螺儀解算姿態(tài)狀態(tài)向量陀螺儀通過(guò)單軸積分法獲得三軸姿態(tài)角x為陀螺儀輸出電壓， y為旋轉(zhuǎn)角速度k為輸出電壓到旋轉(zhuǎn)角速度的比例系數(shù)b為陀螺儀輸出電壓零點(diǎn)。六、陀螺儀解算姿態(tài)狀態(tài)向量陀螺儀通過(guò)單軸積分法獲得三軸姿態(tài)七、多傳感器融合卡爾曼濾波 KkdelayAk-1 Ck+-+