電子科技大學(xué)全日制專業(yè)碩士研究生實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)報(bào)告：實(shí)踐內(nèi)容：無人機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)的仿真平臺(tái)搭建實(shí)踐時(shí)間：2015.5—2015.7實(shí)踐地點(diǎn)：kb338實(shí)踐主要內(nèi)容及過程：引言無人機(jī)是指具有動(dòng)力裝置，不載操作人員的飛行器?，F(xiàn)在，對無人機(jī)的應(yīng)用變得越來越廣泛，如抗震救災(zāi)，影視拍攝，治安反恐，電力巡檢和軍事偵查等各領(lǐng)域。無人機(jī)又分為固定翼和多旋翼飛機(jī)，多旋翼飛機(jī)又分為四旋翼，六旋翼和八旋翼。本文將詳細(xì)地介紹如何搭建四旋翼飛行器的飛控仿真模型，四旋翼技術(shù)的關(guān)鍵性問題就是如何設(shè)計(jì)合理穩(wěn)定的姿態(tài)控制系統(tǒng)。在四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)過程中，以前的方法是每次都要在C語言源代碼中修改飛行參數(shù)，編譯代碼，然后把飛機(jī)拿到野外進(jìn)行試飛，然后一直修改-編譯-試飛不斷地循環(huán)直到找到一組合適的飛行參數(shù)。但是如果下一次改變了飛機(jī)的尺寸外觀，則又要進(jìn)行上述的循環(huán)操作。所以說，如果沒有一個(gè)穩(wěn)定有效的仿真平臺(tái)，那么設(shè)計(jì)飛機(jī)將要花費(fèi)很多的時(shí)間精力在這種重復(fù)的工作上面。本文的工作就是在Matlab平臺(tái)下搭建一個(gè)可視化模塊的仿真平臺(tái)，有助于簡化設(shè)計(jì)過程中的不相關(guān)工作。在本文中，首先，介紹四旋翼的基本飛行原理；其次，分析和推導(dǎo)其數(shù)學(xué)模型；最后，利用Matlab平臺(tái)中的Simulink技術(shù)以模塊化的方式搭出四旋翼的模型并仿真其飛行過程。原理在設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)前有必要先了解一下四旋翼飛行器的飛行原理。四旋翼是一種利用4個(gè)控制輸入去控制具有6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其物理結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，四旋翼飛行器在平面上呈現(xiàn)十字對稱的均勻式分布結(jié)構(gòu)，在十字架的四端分別固定有電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋翼，而飛行控制器和電池則放置在十字架的中心位置。由于四旋翼飛行器的這種特殊結(jié)構(gòu)，因此只需要調(diào)節(jié)4個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，就可以改變飛行姿態(tài)。此外，四旋翼飛行器在飛行的狀態(tài)下還有一個(gè)非常獨(dú)特的特點(diǎn)，即對角旋翼(1,3)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和對角旋翼(2,4)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。四旋翼飛行器在三維空間中有6個(gè)自由度，分別為沿3個(gè)軸線的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其基本的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以分為：垂直運(yùn)動(dòng)；前后運(yùn)動(dòng)；左右運(yùn)動(dòng)；俯仰運(yùn)動(dòng)；滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；領(lǐng)航運(yùn)動(dòng)。這些姿態(tài)都可以通過調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速繼而改變其向上的推力來實(shí)現(xiàn)，如圖1-2所示：圖2-1四旋翼飛行器的物理結(jié)構(gòu)圖2-2運(yùn)動(dòng)姿態(tài)(a)垂直運(yùn)行；(a)俯仰及前后運(yùn)動(dòng)；(a)滾轉(zhuǎn)及左右運(yùn)行；(a)偏航運(yùn)行；簡單來說，垂直運(yùn)動(dòng)要求四個(gè)旋翼所產(chǎn)生的推力大小相等，關(guān)鍵是保證同步調(diào)節(jié)4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；俯仰及前后運(yùn)動(dòng)：f3增大，同時(shí)f1減小，且它們變化的量相等以保證X軸上的受力均衡，這樣機(jī)身就繞Y軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)俯仰角θ，θ為正則飛機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，θ為負(fù)則飛機(jī)向后運(yùn)動(dòng)；滾轉(zhuǎn)及左右運(yùn)行：滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與俯仰動(dòng)力的原理一樣，通過改變f2和f4的大小可以改變滾轉(zhuǎn)角φ；偏航運(yùn)動(dòng)：要使飛機(jī)做偏航運(yùn)動(dòng)，則要將對角的力同步變大變小，如f1和f3變大，f2和f4變小，還是一樣的，變化的量必須保證是一樣的，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)大小為正的偏航角ψ。建模為了方便后面的表述，我們定義地坐標(biāo)系下四旋翼飛行器的中心位置坐標(biāo)為。地坐標(biāo)系下四旋翼飛行器的姿態(tài)角為。體坐標(biāo)系下四旋翼飛行器的姿態(tài)角的角速率為。我們利用歐拉-拉格朗日方程建立數(shù)學(xué)模型，以四旋翼的能量關(guān)系首先給出方程為(3-1)其中，為飛行器的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能：，m為飛行器的質(zhì)量；是飛行器的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能：，為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，它被定義為：，這里的是慣性常量矩陣，是從地坐標(biāo)系到體坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移矩陣：=；而U代表重力勢能，定義為U=mgz。我們求解歐拉-拉格朗日方程，得出四旋翼的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)：(3-2)是將機(jī)體的總推力在體坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)換到地坐標(biāo)系中形成的新的變量，可以表示為，為總推力向量，可以表示為，其中是總推力標(biāo)量，=，（=1，2，3，4）為第個(gè)旋翼所產(chǎn)生的向上的推力，且，是個(gè)常數(shù)，是第個(gè)電機(jī)的角速度。另外為力矩向量，定義為：(3-2)是電機(jī)中心到機(jī)體中心的距離，是力與力矩之間的系數(shù)。因此，我們可以得到四旋翼飛機(jī)的動(dòng)態(tài)模型方程：(3-2)其中是一個(gè)科里奧利向量，。仿真通過上一節(jié)的對四旋翼的動(dòng)態(tài)方程的建立，現(xiàn)在就可以在MABLAB上利用Simulink工具來四旋翼進(jìn)行框圖仿真了。在很多系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中廣泛使用了一種簡化后的四旋翼模型，這樣能夠減少設(shè)計(jì)人的計(jì)算量，同時(shí)方便控制器的設(shè)計(jì)。為了獲得這個(gè)控制模型，我們可以暫時(shí)去掉模型中的描述距離的兩個(gè)量和的兩個(gè)式子，因?yàn)檫@兩個(gè)三維空間中的量可以通過改變滾轉(zhuǎn)角和俯仰角來得到。首先，要用上一節(jié)得出的數(shù)學(xué)模型參數(shù)搭建出四旋翼的Simulink模型，它要求輸入四個(gè)參數(shù)，其中三個(gè)為各個(gè)方向上的力矩，它們主要改變飛機(jī)的姿態(tài)；另一個(gè)參數(shù)為作用在四旋翼飛機(jī)重心上的總的推力，它主要改變飛機(jī)的高度。模擬方框圖如下所示：圖4-1四旋翼飛行器的動(dòng)態(tài)模型為了得出仿真結(jié)果，我們需要在飛機(jī)模型的前面搭建PID控制器和PWM轉(zhuǎn)換器，PID控制器是控制姿態(tài)的算法核心，PWM轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)把PID控制器輸出的結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的力矩輸入到UAVMODEL，模型如下圖所示：圖4-2四旋翼飛行器的姿態(tài)控制系統(tǒng)模型PID控制器控制輸入的目標(biāo)值和當(dāng)前值做PID變換，輸出經(jīng)過PWM轉(zhuǎn)換器變成力矩與力，將它們送入到UAVMODEL，這就完成了無人機(jī)的簡單的姿態(tài)控制設(shè)計(jì)。下圖就是通過在Simulink中對飛機(jī)模型的測試得出的結(jié)果。圖4-3仿真波形圖通過觀察可以看出輸出的三個(gè)角度量和高度量基本能夠跟蹤上我們的期望信號，稍微有一點(diǎn)延遲，這個(gè)和算法的處理復(fù)雜度有關(guān)系，延遲是必須的，我們的目標(biāo)就是讓這個(gè)延遲盡量??；另外算法會(huì)對輸入量做一些限