动态系统建模仿真
实验报告（2）
四旋翼飞行器仿真
2012
1实验容
基Simulink建立四旋翼飞行器悬停控制回路实现飞行器悬停控制
建立UI界面够输入参数绘制运动轨迹
基VR Toolbox建立3D动画场景够模拟飞行器运动轨迹
2实验目
通 Matlab 环境中四旋翼飞行器进行系统建模掌握容：
四旋翼飞行器建模控制方法
Matlab快速建立虚拟视化环境方法
3实验器材
硬件：PC机
工具软件：操作系统：Windows系列软件工具：MATLABsimulink
4实验原理
41四旋翼飞行器
四旋翼飞行器通四螺旋桨产生升力实现飞行 原理直升机类似 四旋翼位称十字支架前左右四端图 1 示旋翼电机控制整飞行器改变电机转速实现飞行姿态控制
图1四旋翼飞行器旋转方示意图
图 1 中 前端旋翼 1 端旋翼 3 逆时针旋转 左端旋翼 2 右端旋翼 4 时针旋转 衡旋翼旋转产生反扭转矩 知 悬停时 四旋翼转速应该相等相互抵消反扭力矩时等量增减四旋翼转速会引起升降运动增某旋翼转速时等量减组旋翼转速产生俯仰横滚运动增某组旋翼转速时等量减组旋翼转速产生偏航运动
42建模分析
四旋翼飞行器受力分析图 2 示
图2四旋翼飞行器受力分析示意图
旋翼机体受外力力矩：
重力mg 机体受重力方
四旋翼旋转产生升力 (i 1 2 3 4)旋翼升力方
旋翼旋转会产生扭转力矩 (i 1 2 3 4)垂直叶片旋翼面旋转矢量相反
力模型： 旋翼通螺旋桨产生升力电机转动力系数取电机转速旋翼旋转产生旋转力矩Mi(i1234)力矩Mi旋右手定确定力矩模型 中电机转动力系数取电机转速定期转速电机实际转速需段时间达实际转速期转速间关系阶延迟：响应延迟时间取005s()期转速需限制电机转速转速间范围分取[1200rpm7800rpm]
飞行器受外界力力矩作形成线运动角运动线运动合外力引起符合牛顿第二定律：
r飞机位置矢量
角运动合力矩引起四旋翼飞行器受力矩源两方面：1）旋翼升力作质心产生力矩2）旋翼旋转产生扭转力矩角运动方程式示中L 旋翼中心建立飞行器质心距离I 惯量矩阵
43控制回路设计
控制回路包括外两层外回路Position Control 模块实现输入位置误差输出期滚转俯仰偏航角回路Attitude Control 模块实现输入期姿态角输出期转速Motor Dynamics 模块模拟电机特性输入期转速输出力力矩Rigid Body Dynamics 控象模拟四旋翼飞行器运动特性
图3包含外两控制回路控制结构
（1）回路：姿态控制回路
四旋翼飞行器唯控制手段四旋翼转速里首先转速产生作进行分析假设希旋翼1转速达效果分解成分量：
：飞行器保持悬停转速分量
：悬停需外产生ZB轴净力
：飞行器负偏转转速分量
：飞行器正偏航转速分量
期转速写成分量线性组合：
旋翼进行类似分析终：
悬浮状态四旋翼升力应抵消重力：
时旋翼角速度分成部分分控制通例微分控制律建立公式：
综合三式期姿态角期转速间关系回路
外回路：位置控制回路
外回路采控制方式：通位置偏差计算控制信号（加速度）建立控制信号姿态角间关系期姿态角作回路输入期位置记通PID 控制器计算控制信号：
目标悬停位置目标悬停位置(i123)期加速度控制信号注意：悬停状态线速度加速度均0
通俯仰角滚转角控制飞行器XWYW面运动通控制偏航角通控制飞行器ZB轴运动：
根式原进行线性化：
（1）俯仰角滚转角变化作扰动分量（2）偏航角变中初始偏航角期偏航角（3）悬停稳态附
根原线性化控制信号（期加速度）期姿态角间关系：
回路输入：
5实验步骤结果
（1） 根控制回路结构建立simulink模型
（2） 便控制回路进行参数调整利Matlab软件四旋翼飞行器创建GUI参数界面
（3） 利MatlabVR Toolbox建立四旋翼飞行器动画场景
（4） 根系统结构框图搭建Simulink模块实现模拟飞行器指定位置悬停默认数时xdes3ydes4zdes5开始仿真运动轨迹xyz响应函数时xyz坐标中空间运动轨迹然点击GUI中VR钮simulink工作空间中载入系统仿真需参数xyz运动轨迹RollPitchYaw输入VR中模拟飞行器中观察飞行器运动轨迹运动姿态然组新参数xdes8ydes3zdes6进行四旋翼飞行器运动进行仿真模拟出仿真结果动画场景相吻合
6实验总结心
次MATLAB实验综合SIMULINKGUIVR场景等部分四旋翼飞行器运动进行仿真模拟仿真结果出四旋翼飞行器终位置达期定位置三方响应曲线终稳应飞行器悬停期位置达控制求
次试验收获学知识首先熟悉SIMULINK简繁搭建系统程学利VR建立虚拟模型SIMULINK中连接次熟悉MATLAB GUI界面编写搭建程Matlab提供强户图形界面帮助户必编写底层程序直接软件包基础进行行开发点诸软件中体现外通实验四旋翼飞行器受力分析模型建立控制回路设计等较细致解
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四旋翼飞行器仿真
2012
1实验容
基Simulink建立四旋翼飞行器悬停控制回路实现飞行器悬停控制
建立UI界面够输入参数绘制运动轨迹
基VR Toolbox建立3D动画场景够模拟飞行器运动轨迹
2实验目
通 Matlab 环境中四旋翼飞行器进行系统建模掌握容：
四旋翼飞行器建模控制方法
Matlab快速建立虚拟视化环境方法
3实验器材
硬件：PC机
工具软件：操作系统：Windows系列软件工具：MATLABsimulink
4实验原理
41四旋翼飞行器
四旋翼飞行器通四螺旋桨产生升力实现飞行 原理直升机类似 四旋翼位称十字支架前左右四端图 1 示旋翼电机控制整飞行器改变电机转速实现飞行姿态控制
图1四旋翼飞行器旋转方示意图
图 1 中 前端旋翼 1 端旋翼 3 逆时针旋转 左端旋翼 2 右端旋翼 4 时针旋转 衡旋翼旋转产生反扭转矩 知 悬停时 四旋翼转速应该相等相互抵消反扭力矩时等量增减四旋翼转速会引起升降运动增某旋翼转速时等量减组旋翼转速产生俯仰横滚运动增某组旋翼转速时等量减组旋翼转速产生偏航运动
42建模分析
四旋翼飞行器受力分析图 2 示
图2四旋翼飞行器受力分析示意图
旋翼机体受外力力矩：
重力mg 机体受重力方
四旋翼旋转产生升力 (i 1 2 3 4)旋翼升力方
旋翼旋转会产生扭转力矩 (i 1 2 3 4)垂直叶片旋翼面旋转矢量相反
力模型： 旋翼通螺旋桨产生升力电机转动力系数取电机转速旋翼旋转产生旋转力矩Mi(i1234)力矩Mi旋右手定确定力矩模型 中电机转动力系数取电机转速定期转速电机实际转速需段时间达实际转速期转速间关系阶延迟：响应延迟时间取005s()期转速需限制电机转速转速间范围分取[1200rpm7800rpm]
飞行器受外界力力矩作形成线运动角运动线运动合外力引起符合牛顿第二定律：
r飞机位置矢量
角运动合力矩引起四旋翼飞行器受力矩源两方面：1）旋翼升力作质心产生力矩2）旋翼旋转产生扭转力矩角运动方程式示中L 旋翼中心建立飞行器质心距离I 惯量矩阵
43控制回路设计
控制回路包括外两层外回路Position Control 模块实现输入位置误差输出期滚转俯仰偏航角回路Attitude Control 模块实现输入期姿态角输出期转速Motor Dynamics 模块模拟电机特性输入期转速输出力力矩Rigid Body Dynamics 控象模拟四旋翼飞行器运动特性
图3包含外两控制回路控制结构
（1）回路：姿态控制回路
四旋翼飞行器唯控制手段四旋翼转速里首先转速产生作进行分析假设希旋翼1转速达效果分解成分量：
：飞行器保持悬停转速分量
：悬停需外产生ZB轴净力
：飞行器负偏转转速分量
：飞行器正偏航转速分量
期转速写成分量线性组合：
旋翼进行类似分析终：
悬浮状态四旋翼升力应抵消重力：
时旋翼角速度分成部分分控制通例微分控制律建立公式：
综合三式期姿态角期转速间关系回路
外回路：位置控制回路
外回路采控制方式：通位置偏差计算控制信号（加速度）建立控制信号姿态角间关系期姿态角作回路输入期位置记通PID 控制器计算控制信号：
目标悬停位置目标悬停位置(i123)期加速度控制信号注意：悬停状态线速度加速度均0
通俯仰角滚转角控制飞行器XWYW面运动通控制偏航角通控制飞行器ZB轴运动：
根式原进行线性化：
（1）俯仰角滚转角变化作扰动分量（2）偏航角变中初始偏航角期偏航角（3）悬停稳态附
根原线性化控制信号（期加速度）期姿态角间关系：
回路输入：
5实验步骤结果
（1） 根控制回路结构建立simulink模型
（2） 便控制回路进行参数调整利Matlab软件四旋翼飞行器创建GUI参数界面
（3） 利MatlabVR Toolbox建立四旋翼飞行器动画场景
（4） 根系统结构框图搭建Simulink模块实现模拟飞行器指定位置悬停默认数时xdes3ydes4zdes5开始仿真运动轨迹xyz响应函数时xyz坐标中空间运动轨迹然点击GUI中VR钮simulink工作空间中载入系统仿真需参数xyz运动轨迹RollPitchYaw输入VR中模拟飞行器中观察飞行器运动轨迹运动姿态然组新参数xdes8ydes3zdes6进行四旋翼飞行器运动进行仿真模拟出仿真结果动画场景相吻合
6实验总结心
次MATLAB实验综合SIMULINKGUIVR场景等部分四旋翼飞行器运动进行仿真模拟仿真结果出四旋翼飞行器终位置达期定位置三方响应曲线终稳应飞行器悬停期位置达控制求
次试验收获学知识首先熟悉SIMULINK简繁搭建系统程学利VR建立虚拟模型SIMULINK中连接次熟悉MATLAB GUI界面编写搭建程Matlab提供强户图形界面帮助户必编写底层程序直接软件包基础进行行开发点诸软件中体现外通实验四旋翼飞行器受力分析模型建立控制回路设计等较细致解
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