新手四旋翼算法總結(jié)5篇-資料下載頁(yè)
2024-10-13 21:14本頁(yè)面
【正文】 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()所示：（）r為飛機(jī)的位置矢量。注意：公式（）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(lái)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（）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。（）III．控制回路設(shè)計(jì)控制回路包括內(nèi)外兩層。外回路由PositionControl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AttitudeControl模塊實(shí)現(xiàn)，輸入為期望姿態(tài)角，輸出為期望轉(zhuǎn)速。MotorDynamics模塊模擬電機(jī)特性，輸入為期望轉(zhuǎn)速，輸出為力和力矩。RigidBodyDynamics是被控對(duì)象，模擬四旋翼飛行器的運(yùn)動(dòng)特性。如圖13圖13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(duì)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(duì)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(guò)“比例微分”控制律建立如下公式：（）綜合式（）、（）、（）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。（2）外回路：位置控制回路外回路采用以下控制方式：216。通過(guò)位置偏差計(jì)算控制信號(hào)（加速度）；216。建立控制信號(hào)與姿態(tài)角之間的幾何關(guān)系；216。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^(guò)PID控制器計(jì)算控制信號(hào)：（）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(hào)。注意：懸停狀態(tài)下線速度和加速度均為0，即。通過(guò)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(guò)控制偏航角，通過(guò)控制飛行器在ZB軸上的運(yùn)動(dòng)。對(duì)（）進(jìn)行展開，可得到：（）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(hào)（期望加速度）與期望姿態(tài)角之間的關(guān)系：（）根據(jù)式()已經(jīng)通過(guò)PID控制器得到了作為控制信號(hào)的期望加速度，因此，將（）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：（）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21所示。主要分為五個(gè)部分：PositionControl（由期望的位置誤差通過(guò)控制律設(shè)計(jì)計(jì)算出期望的姿態(tài)角），AttitudeControl（由姿態(tài)角信息和各軸角速度信息通過(guò)控制律計(jì)算出給電機(jī)的控制信號(hào)），MotorDynamics（通過(guò)給電機(jī)的控制信號(hào)由電機(jī)模型計(jì)算出每個(gè)電機(jī)的輸出力和力矩），RigidBodyDynamics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，VRSink為四旋翼飛行器的虛擬顯示模型。圖21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22PositionControl子系統(tǒng)圖23位置PID控制器結(jié)構(gòu)圖24AttitudeControl子系統(tǒng)圖25姿態(tài)角和三軸角速度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系圖26MotorDynamics子系統(tǒng)輸出力及力矩模型圖27RigidBodyDynamics子系統(tǒng)II．利用VRealmBuilder建立四旋翼飛行器的虛擬模型利用VRealmBuilder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28所示。圖28四旋翼飛行器虛擬模型III．利用MATLABGUI建立四旋翼飛行器仿真的控制界面利用MATLABGUI建立仿真控制界面，所建立的控制界面如圖29所示。圖29MATLABGUI仿真控制界面界面主要分為四個(gè)部分，StructParametersPanel設(shè)置飛行器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和外部變量，DesiredPositionPanel設(shè)置期望控制飛行器所到達(dá)的位置，ControlParametersPanel設(shè)置PID控制律所需的增益參數(shù)和仿真時(shí)間，PlotPanel顯示仿真結(jié)果圖形并對(duì)圖形效果進(jìn)行簡(jiǎn)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loaddata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(guò)程中某一時(shí)刻如圖31所示，仿真結(jié)束后控制界面顯示的曲線如圖32所示。期望達(dá)到的目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置為（10,15,20）。圖31VR顯示四旋翼飛行器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖32四旋翼飛行器控制平臺(tái)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(duì)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(shí)，熟悉了SIMULINK由簡(jiǎn)至繁搭建系統(tǒng)的過(guò)程，學(xué)習(xí)了利用VRealmBuilder建立虛擬模型，并在SIMULINK中連接，也熟悉了MATLABGUI界面的編寫和搭建過(guò)程。
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