第1章緒論1.1無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真的背景和意義隨著無人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真在現(xiàn)代航空領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真工具也不斷改進(jìn)和完善，這些系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真工具可以用于飛行動(dòng)力學(xué)、飛行性能、避障等模擬無人機(jī)方面。其中無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真在無人機(jī)技術(shù)發(fā)展中的意義有：（1）提高飛行安全性：無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真可以幫助提高無人機(jī)的飛行安全性。通過無人機(jī)控制系統(tǒng)仿真測(cè)試，可以驗(yàn)證不同控制算法的性能，發(fā)現(xiàn)其中的問題，并加以改進(jìn)，這能確保無人機(jī)在不同的工作環(huán)境下的安全操作，減少事故風(fēng)險(xiǎn)率；（2）加速系統(tǒng)開發(fā)和驗(yàn)證：無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真可以加速系統(tǒng)開發(fā)和驗(yàn)證的進(jìn)程。通過無人機(jī)控制系統(tǒng)仿真，可以在系統(tǒng)制造和測(cè)試之前對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)試，以此可以減少開發(fā)過程中的時(shí)間和成本，并提高系統(tǒng)的可靠性和效率；（3）優(yōu)化無人機(jī)性能：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真可以幫助優(yōu)化無人機(jī)的飛行性能。通過設(shè)計(jì)無人機(jī)控制算法和技術(shù)，可以提高無人機(jī)的穩(wěn)定性、敏捷性和精確性，幫助研究人員評(píng)估不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)無人機(jī)性能的影響并進(jìn)行優(yōu)化；（4）推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展：無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真不僅可以改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)，還可以研究新的控制算法來不斷提升無人機(jī)的性能，以此推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展。仿真技術(shù)也可以用于評(píng)估解決方案的可行性，無人機(jī)技術(shù)的未來發(fā)展提供指導(dǎo)。1.2無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真的主要方法通過查閱無人機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)的文獻(xiàn)、軟件平臺(tái)的仿真演算及歸納總結(jié)等方法，應(yīng)用所學(xué)機(jī)械和電子及自動(dòng)控制知識(shí)，從無人機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立入手，通過仿真平臺(tái)上搭建相應(yīng)的控制器，并在控制器設(shè)計(jì)中進(jìn)行參數(shù)分析，最后利用仿真平臺(tái)上進(jìn)行仿真調(diào)試，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。1.3無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真的主要內(nèi)容1.了解四旋翼無人機(jī)的特點(diǎn)，理解四旋無人機(jī)姿態(tài)控制方法，應(yīng)用所學(xué)機(jī)械和電子及自動(dòng)控制知識(shí)；2.建立四旋翼無人機(jī)數(shù)學(xué)建模，在Matlab/Simulink中搭建對(duì)應(yīng)的無人機(jī)模型并分析設(shè)計(jì)姿態(tài)控制和定點(diǎn)位置控制，計(jì)算并獲取相關(guān)參數(shù)；3.在flight-gear中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，在定點(diǎn)位置控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)航點(diǎn)規(guī)劃的功能；4.探討應(yīng)用在實(shí)際控制中的方法，總結(jié)分析改進(jìn)建議。

第2章多旋翼無人機(jī)控制器設(shè)計(jì)2.1多旋翼無人機(jī)控制器硬件組成由于控制算法最終將會(huì)在多旋翼無人機(jī)上進(jìn)行部署與飛行實(shí)驗(yàn)，一套可完成基本飛行任務(wù)的硬件平臺(tái)是必不可少的。多旋翼無人機(jī)的硬件主要有五部分組成：（1）地面計(jì)算機(jī)地面計(jì)算機(jī)是一臺(tái)裝有操作系統(tǒng)的高性能個(gè)人計(jì)算機(jī)，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中主要承擔(dān)兩方面作用：①在實(shí)際飛行試驗(yàn)時(shí)，承擔(dān)對(duì)多旋翼無人機(jī)自駕儀系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)施控制、參數(shù)調(diào)整、傳感器校準(zhǔn)與通信等任務(wù)；②為仿真軟件提供軟件代碼自動(dòng)生成、控制其設(shè)計(jì)、在環(huán)仿真、硬件在環(huán)仿真等功能。（2）自駕儀系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱飛控）自駕儀系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)多旋翼無人機(jī)飛行控制的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，利用控制算法來獲得無人機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)，同時(shí)計(jì)算輸出動(dòng)力系統(tǒng)的控制指令，具有強(qiáng)大的計(jì)算性能。（3）遙控器系統(tǒng)控制器系統(tǒng)是通過遠(yuǎn)程控制無人機(jī)以實(shí)現(xiàn)多旋翼無人機(jī)飛行操縱的傳輸控制系統(tǒng)，利用無線信號(hào)將飛控手的操控指令傳輸給自駕儀，其中包括接收機(jī)、遙控器、充電器等設(shè)備。（4）動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供無人機(jī)飛行所需的動(dòng)力和推進(jìn)力，在接收自駕儀發(fā)送的PWM控制指令后通過螺旋槳旋轉(zhuǎn)和電機(jī)產(chǎn)生拉力與力矩以控制多旋翼的運(yùn)動(dòng)，其中包含電調(diào)、電機(jī)螺旋槳和電池等組件。（5）機(jī)架系統(tǒng)機(jī)架系統(tǒng)是多旋翼無人機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其需要優(yōu)良的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和氣動(dòng)的設(shè)計(jì)來承載飛控、負(fù)載和動(dòng)力系統(tǒng)以確保飛行任務(wù)的順利進(jìn)行，其中包括機(jī)臂、機(jī)身、起落架等組件。2.2多旋翼無人機(jī)控制器軟件平臺(tái)多旋翼無人機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)依賴眾多軟件工具來實(shí)現(xiàn)代碼自動(dòng)生成、自駕儀代碼編譯、控制器設(shè)計(jì)、硬件在環(huán)仿真等功能。而部分仿真軟件與Matlab/Simulink共同組成了實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)，它整體包含下面幾個(gè)部分。1.Matlab、Simulink：它是Mathworks公司開發(fā)的一款可視化仿真工具，可以方便地通過模塊化編程語言來搭建仿真系統(tǒng)用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、控制器設(shè)計(jì)、軟、硬件仿真和性能分析等功能，被廣泛應(yīng)用于飛行器和汽車等領(lǐng)域。2.Pix-hawkSupportPackage（PSP）工具箱：Mathworks公司官方為Pix-hawk自駕儀推出的工具箱，用于將Simulink中設(shè)計(jì)的控制算法生成代碼并編譯下載到Pix-hawk自駕儀硬件。3.flight-gear飛行模擬器：一款非常受歡迎的開源飛行模擬器軟件，可以通過UDP加收Simulink發(fā)送的飛行狀態(tài)，方便觀測(cè)Simulink仿真時(shí)無人機(jī)的飛行狀態(tài)。4.PX4軟件源代碼：PX4是一款開源飛行控制軟件系統(tǒng)，運(yùn)行在Pix-hawk系列自駕儀硬件平臺(tái)上，構(gòu)成了Pix-hawk/PX4自駕儀軟件/硬件平臺(tái)，是目前世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的小型無人機(jī)自駕儀平臺(tái)。5.Copter-sim實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)仿真軟件：Copter-sim是整個(gè)RflySim平臺(tái)的核心，它是針對(duì)Pix-hawk/PX4自駕儀平臺(tái)開發(fā)的一款硬件在環(huán)仿真軟件，可以配置多旋翼的模型，通過USB串口與Pix-hawk自駕儀連接來實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)仿真，達(dá)到室內(nèi)模擬室外飛行測(cè)試的效果。2.3軟、硬件開發(fā)與實(shí)現(xiàn)前面介紹了多旋翼無人機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)依賴的一些軟件/硬件組件，這些組件看似種類繁多且復(fù)雜，實(shí)際上是多旋翼無人機(jī)開發(fā)與實(shí)際飛行所必需的。對(duì)這些工具的熟練使用可以極大地加快開發(fā)效率，大大降低開發(fā)的難度并節(jié)省開發(fā)時(shí)間。下圖展示了多旋翼無人機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的各軟件/硬件組件與整體流程的相互關(guān)系，他們?cè)诙嘈頍o人機(jī)開發(fā)的各個(gè)階段發(fā)揮著重要的作用REF_Ref17316\r\h[1]。圖2.1多旋翼無人機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的各軟件/硬件組件與整體流程的相互關(guān)系由圖2.1看出多旋翼無人機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用Matlab/Simulink軟件為多旋翼無人機(jī)控制器設(shè)計(jì)提供開發(fā)仿真環(huán)境，在此基礎(chǔ)上通過PSP、PX4等軟件進(jìn)行控制算法自動(dòng)代碼生成和固件編譯，再使用Copter-sim、3DDisplay、地面計(jì)算機(jī)等軟硬件的配合使用完成硬件在環(huán)仿真，最后通過遙控器系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等硬件平臺(tái)進(jìn)行室內(nèi)外飛行試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)多旋翼無人機(jī)實(shí)驗(yàn)。其相互關(guān)系主要可以概括為以下三個(gè)階段：（1）軟件在環(huán)仿真階段根據(jù)參考的例程和仿真模型，在Simulink中進(jìn)行控制算法設(shè)計(jì)，并連接模型和控制器，多旋翼模型將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，控制器再將每個(gè)電機(jī)PWM控制指令發(fā)回給模型，從而形成軟件在環(huán)仿真閉環(huán)系統(tǒng)，這整個(gè)過程階段都在Matlab環(huán)境下進(jìn)行。（2）硬件在環(huán)仿真階段將Simulink控制器算法生成的代碼下載到Pix-hawk自駕儀，并將Simulink多旋翼模型參數(shù)導(dǎo)入到Copter-sim中。Copter-sim再將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給Pix-hawk系統(tǒng)，Pix-hawk系統(tǒng)中PX4自駕儀通過收到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)分析并發(fā)送給控制器，最后控制器再將每個(gè)電機(jī)的PWM控制指令發(fā)回Copter-sim。該階段通過串口線連接Pix-hawk飛控硬件和在環(huán)多旋翼飛行器仿真器以保持模型和控制器的通訊過程，模型通過串口線將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，控制器再通過串口線將每個(gè)電機(jī)PWM控制指令發(fā)回給模型，從而形成閉環(huán)。（3）飛行測(cè)試階段由真實(shí)多旋翼飛行器代替Copter-sim的虛擬仿真模型，傳感器數(shù)據(jù)直接由傳感器芯片得到，控制器信號(hào)直接輸出給電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)的多旋翼無人機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)。這個(gè)階段需要注意其仿真模型難以與真實(shí)多旋翼無人機(jī)保持完全一致，要進(jìn)行必要的參數(shù)調(diào)節(jié)REF_Ref17316\r\h[1]。

第3章多旋翼無人機(jī)控制器數(shù)字模型建立與仿真3.1多旋翼無人機(jī)的模型圖3.1多旋翼的建模流程圖（1）剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：只研究位置、速度、姿態(tài)、角速度等參量，與質(zhì)量與受力無關(guān)。常以質(zhì)點(diǎn)為模型。圖3.1多旋翼的建模流程圖（2）剛體動(dòng)力學(xué)模型：其研究的拉力和力矩等參量與無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化相關(guān)，且拉力方向與機(jī)體軸zb軸正方向相反（3）控制效率模型：此模型可以區(qū)分四旋翼和六旋翼。（4）動(dòng)力單元模型：輸入電機(jī)油門指令獲得螺旋槳轉(zhuǎn)速。其動(dòng)力機(jī)構(gòu)包含無刷直流電機(jī)、電調(diào)和螺旋槳。3.1.1模型與仿真的關(guān)系（1）位置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型用Pe代表無人機(jī)在空間坐標(biāo)系下的位置，VP（3.1）（2）姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如果機(jī)體旋轉(zhuǎn)的角速率為bωω（3.2）進(jìn)一步可以得到Θ（3.3）其中Θ?（3.4）當(dāng)θ,?（3.5）從式（3.4）可以看出，矩陣W中部分元素的分母為cos?θ，應(yīng)該盡量避免出現(xiàn)cos?θ（3）位置動(dòng)力學(xué)模型多旋翼無人機(jī)的總拉力由重力、空氣動(dòng)力和螺旋槳拉力組成，但簡(jiǎn)單起見，這里只考慮重力和螺旋槳升力的作用。根據(jù)f=ma可得：m（3.6）由于空間坐標(biāo)系的z軸是垂直向下的，所以計(jì)算過程中fe前面要帶負(fù)號(hào)。需要注意的是，這里的g是矢量，只在ze有分量；fe也是矢量，需要用機(jī)體坐標(biāo)系下的ff（3.7）綜合式（3.6）和式（3.7）,可以得到V（3.8）為了更直觀的得到所需物理量，展開式（3.8）得到v（3.9）由式（3.9）可以看出，需要得到g、m、fb以及三個(gè)Θ（4）姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型多旋翼無人機(jī)螺旋槳產(chǎn)生的拉力會(huì)對(duì)機(jī)體坐標(biāo)系的三個(gè)軸產(chǎn)生力矩，同時(shí)對(duì)于螺旋槳還存在一個(gè)陀螺力矩GaG（3.10）由于在后續(xù)控制中陀螺力矩不太好控制，為了簡(jiǎn)單起見，就把式（3.10）中Ga和ωτ（3.11）從式（3.11）可以看出，想要求出多旋翼無人機(jī)在機(jī)體坐標(biāo)系下的角加速度，需要得到三個(gè)力矩ττx,τ（5）控制效率模型根據(jù)轉(zhuǎn)速（弧度每秒）得出機(jī)體系升力fe和作用在機(jī)體上的力矩τ，得出螺旋槳轉(zhuǎn)速?，f（3.12）（6）動(dòng)力單元模型動(dòng)力單元模型是以電調(diào)、無刷直流電機(jī)和螺旋槳為一組的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，無人機(jī)的電調(diào)接收的是油門指令和電池輸出電壓，根據(jù)油門指令大小（0～1）和電池輸出電壓生成對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。首先，輸入一個(gè)電壓信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速?ss?（3.13）其次，給定一個(gè)油門指令使電機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的這段時(shí)間記為Tm，其決定了電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在通常環(huán)境下，無刷直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)過程可以簡(jiǎn)化為一階低通濾波器，其傳遞函數(shù)為REF_Ref17316\r\h[1]?（3.14）最后，給定一個(gè)期望的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速?ss，但電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到??（3.15）3.1.2Simulink搭建過程（1）位置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型輸入：空間坐標(biāo)系下的三個(gè)加速度輸出：空間坐標(biāo)系下的位置Pe和空間坐標(biāo)系下的速度圖3.2位置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型搭建由于空間坐標(biāo)系下的z軸是垂直向下的，設(shè)置的ze（2）姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型輸入：機(jī)體坐標(biāo)系下的三個(gè)角速度w輸出：三個(gè)歐拉角θ圖3.3姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型搭建（3）位置動(dòng)力學(xué)模型輸入：重力加速度g、m、fb以及三個(gè)歐拉角輸出：空間坐標(biāo)系下的加速度V圖3.4位置動(dòng)力學(xué)模型搭建（4）姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型輸入：三個(gè)力矩τx,輸出：機(jī)體坐標(biāo)系下的角加速度w圖3.5姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型搭建（5）控制效率模型輸入：電機(jī)轉(zhuǎn)速，螺旋槳拉力，螺旋槳力矩系數(shù)，機(jī)身半徑（軸距的一半）輸出：作用在機(jī)體上的力矩τ和機(jī)體系升力f圖3.6控制效率模型搭建（6）動(dòng)力單元模型輸入：PWM波信號(hào)輸出：對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速圖3.7動(dòng)力單元模型搭建3.2控制器的總體框圖以及線性化的模型多旋翼的底層飛行控制可以分為四個(gè)部分，分別是位置控制、姿態(tài)控制、控制分配和電機(jī)控制REF_Ref32387\r\h[3]。如圖3.8所示，給定的輸入是Pd和ψd，位置控制器通過空間坐標(biāo)系下的Pd、Pe和Ve求出的fd、?d和θd，姿態(tài)控制器將接收到的θd、?d、ψd、Θ和wb轉(zhuǎn)化為圖3.8多旋翼全自主控制閉環(huán)框圖欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：四個(gè)輸入（總拉力f和三軸力矩τ）控制六個(gè)輸出（位置P和姿態(tài)角Θ）。設(shè)計(jì)多旋翼無人機(jī)時(shí)，可以采用內(nèi)外環(huán)的控制策略，其中外環(huán)對(duì)多旋翼無人機(jī)的位置進(jìn)行控制，而內(nèi)環(huán)對(duì)多旋翼無人機(jī)姿態(tài)角進(jìn)行控制。由內(nèi)外環(huán)控制實(shí)現(xiàn)多旋翼無人機(jī)的懸停、升降、側(cè)飛等飛行模態(tài)REF_Ref17316\r\h[1]。3.3關(guān)于控制分配器和電機(jī)控制器的分析在搭建Simulink時(shí)，用了“混控”模塊來建立框圖中的控制分配器和電機(jī)控制器。輸入：期望的拉力fd和期望的力矩τ輸出：四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速指令（1000-2000）圖3.9控制分配器和電機(jī)控制器的混控模塊由于輸出是在1000-2000之間，而混控的輸入是在0-1之間，所以進(jìn)行放大后需要再加上1000使輸出變?yōu)?000-2000之間。而對(duì)于傳遞函數(shù)中關(guān)系式括號(hào)里的正負(fù)號(hào)，是由機(jī)架和電機(jī)的旋轉(zhuǎn)順序決定的。圖3.10X型機(jī)架對(duì)于電機(jī)m1，油門越大，轉(zhuǎn)速越高，則應(yīng)該增加電機(jī)的pwm值，所以“thrust”的符號(hào)為正；同時(shí)，根據(jù)右手螺旋法則，逆時(shí)針繞x軸的旋轉(zhuǎn)為正，讓機(jī)體繞x軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)正的?角，則應(yīng)該減小電機(jī)的pwm值，所以“roll_pwm”的符號(hào)為負(fù)；同理，讓機(jī)體繞y軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)正的θ角，則應(yīng)該增加電機(jī)的pwm值，所以“pitch_pwm”的符號(hào)為正；讓機(jī)體繞z軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)正的ψ角，則應(yīng)該增加電機(jī)的pwm值，所以“yaw_pwm”的符號(hào)為正。同理電機(jī)m2“trust”的符號(hào)為正，“roll_pwm”的符號(hào)為正，“pitch_pwm”的符號(hào)為負(fù)，“yaw_pwm”為正；電機(jī)m3“trust”的符號(hào)為正，“roll_pwm”的符號(hào)為正，“yaw_pwm”的符號(hào)為負(fù)；電機(jī)m4“trust”的符號(hào)為正，“roll_pwm”的符號(hào)為負(fù)，“pitch_pwm”的符號(hào)為負(fù)，“yaw_pwm”的符號(hào)為負(fù)。3.4姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)與仿真姿態(tài)控制器是位置控制器的基礎(chǔ)，所以首先設(shè)計(jì)姿態(tài)控制器。3.4.1姿態(tài)串級(jí)PID控制器設(shè)計(jì)如果只控制位置，無人機(jī)也能達(dá)到期望的位置，但到達(dá)期望位置的速度和加速度不一定是0，就是說無人機(jī)會(huì)超過這個(gè)位置繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，并不會(huì)穩(wěn)定在期望的位置，所以要控制速度。當(dāng)無人機(jī)達(dá)到期望的位置有位置誤差的時(shí)候，可以通過調(diào)整速度去減小位置誤差，位置誤差大的時(shí)候，期望的速度就大；位置誤差小的時(shí)候，期望的速度也就小。并且位置與速度之間存在簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以通過控制期望速度達(dá)到控制位置的目的REF_Ref628\r\h[11]。所以設(shè)計(jì)姿態(tài)控制器的時(shí)候采用串級(jí)PID控制，最外面的是調(diào)節(jié)角度的PID，一般只用到P控制；里面的是調(diào)節(jié)角速度的PID。圖3.11姿態(tài)串級(jí)PID控制器流程圖（1）角度環(huán)PID輸入：三個(gè)歐拉角的角度誤差輸出：機(jī)體坐標(biāo)系下的期望角速度角度環(huán)采用的是比例控制，所以有如下關(guān)系式：w（3.16）w（3.17）這里的角度要以弧度為單位。（2）角速度環(huán)輸入：期望的角速度輸出：期望的三軸力矩由于角速度環(huán)采用的是PID控制，所以有如下關(guān)系式：τ（3.18）3.4.2姿態(tài)控制器Simulink模型搭建輸入：期望的偏航角、反饋回來的實(shí)際歐拉角和實(shí)際的機(jī)體角速度輸出：期望的三軸力矩PWM信號(hào)圖3.12姿態(tài)控制器由于設(shè)計(jì)出來的控制器是針對(duì)線性化之后的無人機(jī)模型，線性化的無人機(jī)姿態(tài)角不能過大，所以加入了限幅模塊控制輸出的期望力矩。而且姿態(tài)控制器需要的是弧度制，而輸入進(jìn)來的歐拉角是以度為單位的，所以加入了單位轉(zhuǎn)換模塊。3.4.3姿態(tài)控制器仿真圖3.13姿態(tài)控制仿真框圖圖3.14繞X軸的姿態(tài)仿真結(jié)果圖3.14中黃色的線是輸出的階躍信號(hào)，藍(lán)色的線是無人機(jī)真實(shí)的?角，紅線和綠線分別是無人機(jī)真實(shí)的θ角和ψ角。從圖中可以看出，?角略有超調(diào)，可以很快的跟上階躍信號(hào)，并且其余兩軸的旋轉(zhuǎn)角度為0，證明了設(shè)計(jì)的該姿態(tài)控制器有效。3.4.4PID參數(shù)調(diào)節(jié)這里的PID參數(shù)的調(diào)節(jié)以繞xe軸的滾轉(zhuǎn)角速度wbx為例，繞ye首先，將姿態(tài)控制器中關(guān)于滾轉(zhuǎn)角角速度控制器的PID模塊和限幅模塊注釋直通，如圖3.15所示。圖3.15注釋直通PID和限幅模塊添加輸入信號(hào)點(diǎn)和輸出信號(hào)點(diǎn)，如圖3.16所示。圖3.16添加輸入信號(hào)點(diǎn)和輸出信號(hào)點(diǎn)點(diǎn)擊進(jìn)入模型線性化器，并生成波特圖，如圖3.17所示，可以根據(jù)生成的波特圖設(shè)計(jì)超前校正或滯后校正。圖3.17Bode圖根據(jù)生成的波特圖，在繪圖和結(jié)果中查看結(jié)果查看器，并選擇零極點(diǎn)增益找到傳遞函數(shù)，如圖3.18所示。圖3.18在繪圖和結(jié)果中查找結(jié)果查看器圖3.19結(jié)果查看器新建一個(gè)Simulink文件搭建PID調(diào)參，將找到的傳遞函數(shù)化簡(jiǎn)并輸入進(jìn)去，如圖3.20所示。圖3.20PID模塊利用PID模塊中的調(diào)節(jié)功能調(diào)整PID參數(shù)，如圖3.21所示。圖中實(shí)線是自動(dòng)調(diào)整過后的，虛線是調(diào)整前的，點(diǎn)擊“更新模塊”便可將參數(shù)更新到PID模塊中。圖3.21PID調(diào)節(jié)器最后將更新出來的PID參數(shù)填回原姿態(tài)控制器的PID模塊中即可。3.5位置控制器設(shè)計(jì)與仿真位置控制器的設(shè)計(jì)也采用串級(jí)PID控制，外環(huán)控制位置，只采用P控制，內(nèi)環(huán)控制速度，采用PID控制REF_Ref628\r\h[11]。P（3.19）V（3.20）Θ（3.21）τ（3.22）式（3.19）、（3.20）、（3.21）、（3.22）是3.1.1節(jié)線性化的無人機(jī)模型，由線性化無人機(jī)模型可以看出除了z軸方向，x軸和y軸方向的動(dòng)力學(xué)方程都和三個(gè)歐拉角有關(guān)，所以需要將它們分開設(shè)計(jì)，其中將x軸和y軸方向設(shè)計(jì)成水平位置通道控制器，而z軸方向單獨(dú)設(shè)計(jì)成高度通道控制器。3.5.1水平通道控制器設(shè)計(jì)輸入：空間坐標(biāo)系下期望的x、y方向的位置輸出：俯仰角θ和期望的滾轉(zhuǎn)角?（1）位置環(huán)位置環(huán)采用比例控制，有如下公式：V（3.23）（2）速度環(huán)速度環(huán)采用PID控制，有如下關(guān)系式：V（3.24）對(duì)于水平速度有如下關(guān)系式：V（3.25）設(shè)A（3.26）綜合式（3.23）和式（3.24），可以得到V（3.27）由式（3.25）轉(zhuǎn)換可得Θ（3.28）3.5.2高度通道控制器設(shè)計(jì)輸入：期望的高度、實(shí)際的高度和實(shí)際的z軸速度輸出：無人機(jī)的期望拉力（1）位置環(huán)高度的位置環(huán)也采用比例控制，有如下關(guān)系式：v（3.29）（2）速度環(huán)高度的速度環(huán)也采用PID控制，有如下關(guān)系式：g（3.30）對(duì)于高度速度有如下關(guān)系式：v（3.31）由于式（3.31）不能等于零，是高階無窮小，不能被忽略，所以再求期望拉力的關(guān)系式時(shí)候把fb換成ff（3.32）3.5.3位置控制器Simulink模型搭建圖3.22定點(diǎn)位置水平通道控制器這里對(duì)速度誤差加入限幅模塊防止內(nèi)環(huán)的速度誤差過大導(dǎo)致無人機(jī)失控，輸入的速度和偏航角再通過MatlabFunction模塊轉(zhuǎn)化成期望的滾轉(zhuǎn)角和俯仰角，同時(shí)為了防止期望角度過大而破壞平衡，輸出的期望角度也需要加入限幅模塊。需要注意的是后面的姿態(tài)控制模塊是弧度制，所以需要對(duì)輸出的角度加入單位換算模塊轉(zhuǎn)換成弧度單位。圖3.23定點(diǎn)位置高度通道控制器這里反饋回來的無人機(jī)高度是負(fù)的，所以要對(duì)給定的期望高度乘上“-1”。而高度變化太大會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)出現(xiàn)失控的情況，所以要對(duì)內(nèi)環(huán)的速度控制器加上限幅模塊。最后需要注意PWM波的范圍是0-1，而高度控制器輸出的是關(guān)于拉力的油門指令，所以需要對(duì)輸出的油門指令加上限幅模塊。3.5.4位置控制器仿真圖3.24定點(diǎn)位置控制器仿真框圖分別對(duì)4個(gè)輸入在不同時(shí)刻加入階躍信號(hào)，查看無人機(jī)的相應(yīng)結(jié)果。0s時(shí)刻對(duì)期望的高度輸入幅值為10的階躍信號(hào)，5s時(shí)刻對(duì)期望的x軸水平位置輸入幅值為5的階躍信號(hào)，10s時(shí)刻對(duì)期望的y軸水平位置輸入幅值為5的階躍信號(hào)，15s時(shí)刻對(duì)偏航角輸入幅值為5的階躍信號(hào)。圖3.25姿態(tài)角響應(yīng)仿真圖圖3.26定點(diǎn)位置仿真圖圖3.25中藍(lán)色的線是無人機(jī)俯仰角相應(yīng)的結(jié)果，黃色的線是無人機(jī)滾轉(zhuǎn)角相應(yīng)的結(jié)果，紅色的線是無人機(jī)偏航角相應(yīng)的結(jié)果。從圖中可以看出，在前5秒，因?yàn)橹惠斎肓似谕叨鹊碾A躍信號(hào)，無人機(jī)只有高度上有變化，所以三個(gè)姿態(tài)角都沒有變化，從第5秒開始，因?yàn)閷?duì)期望x軸水平位置輸入了階躍信號(hào)，無人機(jī)要到達(dá)（5,0,10）的位置，所以無人機(jī)的俯仰角發(fā)生變化，因?yàn)闊o人機(jī)飛行會(huì)有慣性，所以朝反方向變化抵消慣性使無人機(jī)穩(wěn)定在指定的地方。同理第10秒開始，無人機(jī)為了達(dá)到（5,5,10）的位置進(jìn)行了滾轉(zhuǎn)角的變化。而第15秒開始，偏航角作出期望角度的變化收斂到了5度。圖3.26中紅色的線是無人機(jī)在高度位置上的仿真結(jié)果，黃色的線是無人機(jī)在x軸水平位置上的仿真結(jié)果，藍(lán)色的線是無人機(jī)在y軸水平位置上的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，第0秒開始，無人機(jī)的高度位置變化收斂到-10（z軸為負(fù)）；第5秒開始，無人機(jī)的x軸水平位置變化收斂到5；第10秒開始，無人機(jī)的y軸水平位置變化收斂到5。通過上述的姿態(tài)角響應(yīng)仿真結(jié)果和定點(diǎn)位置仿真結(jié)果，可以證明設(shè)計(jì)的該定點(diǎn)位置控制器有效。

第4章多旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)的自主飛行控制本章內(nèi)容是無人機(jī)位置控制內(nèi)容的延續(xù)，就是設(shè)計(jì)航點(diǎn)更新規(guī)劃模塊搭建在原有的定點(diǎn)位置控制器系統(tǒng)上，在此基礎(chǔ)上再設(shè)計(jì)出飛行軌跡點(diǎn)讓無人機(jī)自主的依次達(dá)到期望的位置，將輸入期望物理量的手動(dòng)操控部分變成了程序自動(dòng)更新航點(diǎn)。4.1更新飛行軌跡點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)輸入：期望的飛行路徑輸出：期望的位置和期望的偏航角更新飛行軌跡點(diǎn)模塊采用函數(shù)模塊的方式來設(shè)計(jì)。由于要確保無人機(jī)按照期望路徑來完成飛行軌跡點(diǎn)，所以需要判斷無人機(jī)達(dá)到飛行軌跡點(diǎn)時(shí)位置誤差是否小于0.1，而且無人機(jī)自動(dòng)飛行控制是以定點(diǎn)位置控制來實(shí)現(xiàn)，所以需要無人機(jī)依次完成每次更新飛行軌跡點(diǎn)的速度誤差小于0.1。若當(dāng)時(shí)速度和位置的誤差都小于0.1，則更新下一個(gè)飛行軌跡點(diǎn)依次輸出位置和偏航角來完成路徑。同時(shí)需要實(shí)時(shí)更新無人機(jī)真實(shí)的飛行軌跡點(diǎn)路徑用以查看無人機(jī)自主控制仿真結(jié)果。4.2更新飛行軌跡點(diǎn)Simulink模型搭建該模塊就是根據(jù)無人機(jī)當(dāng)前的位置和速度，決定是否發(fā)布下一個(gè)飛行軌跡點(diǎn)。圖4.1更新飛行軌跡點(diǎn)MatlabFunction模塊該函數(shù)模塊在運(yùn)行的時(shí)候，首先會(huì)計(jì)算當(dāng)前的位置誤差，然后判斷當(dāng)前位置誤差、速度誤差和航點(diǎn)是否運(yùn)行完的標(biāo)志位，進(jìn)行下一個(gè)飛行軌跡點(diǎn)的更新，同時(shí)實(shí)時(shí)記錄無人機(jī)飛行軌跡點(diǎn)路徑。4.3設(shè)計(jì)飛行軌跡點(diǎn)設(shè)計(jì)期望的飛行軌跡點(diǎn)Matlab函數(shù)腳本，使無人機(jī)根據(jù)對(duì)應(yīng)的飛行軌跡點(diǎn)腳本完成期望的路徑。這里設(shè)計(jì)兩種軌跡為例，分別是方形軌跡和圓形軌跡。4.3.1方形軌跡設(shè)計(jì)根據(jù)位置坐標(biāo)向量設(shè)置期望的飛行軌跡點(diǎn)，設(shè)置運(yùn)行時(shí)方形軌跡的三維仿真結(jié)果。圖4.2方形軌跡Matlab函數(shù)腳本該函數(shù)生成了一個(gè)以原點(diǎn)為起始點(diǎn)，高度為5，邊長(zhǎng)為5的方形飛行軌跡，并生成了5個(gè)飛行軌跡點(diǎn)，供多旋翼無人機(jī)自動(dòng)飛行使用。4.3.2圓形軌跡設(shè)計(jì)首先確定飛行軌跡點(diǎn)數(shù)目和飛行高度，然后生成儲(chǔ)存x、y位置的向量，再儲(chǔ)存期望的軌跡點(diǎn)，并根據(jù)圓形的關(guān)系式生成位置循環(huán)軌跡點(diǎn)，最后再給軌跡點(diǎn)賦值。同時(shí)設(shè)置運(yùn)行時(shí)圓形軌跡的三維仿真結(jié)果。圖4.3圓形軌跡Matlab函數(shù)腳本該函數(shù)生成了一個(gè)以原點(diǎn)為起始點(diǎn)，半徑為10的圓形飛行軌跡，并生成了101個(gè)飛行軌跡點(diǎn)，供無人機(jī)自動(dòng)飛行使用。4.4自動(dòng)飛行控制仿真圖4.5自動(dòng)飛行控制仿真框圖圖4.6方形軌跡仿真結(jié)果從圖4.6可以看出無人機(jī)能夠按照設(shè)置好的方形軌跡路徑很好地運(yùn)行到5個(gè)飛行軌跡點(diǎn)，無超調(diào)現(xiàn)象，說明該方形軌跡腳本和自動(dòng)飛行控制是有效的。圖4.7圓形軌跡仿真結(jié)果從圖4.7可以看出無人機(jī)能夠按照設(shè)置好的圓形軌跡路徑運(yùn)行到101個(gè)飛行軌跡點(diǎn)，到達(dá)第一個(gè)圓形軌跡點(diǎn)的時(shí)候x軸方向有一個(gè)超調(diào)，說明該圓形軌跡點(diǎn)和自動(dòng)飛行控制也是有效的。

第5章總結(jié)5.1總結(jié)與體會(huì)（1）本文完成的無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在數(shù)字建模中忽略了螺旋槳的阻力、陀螺力矩、空氣動(dòng)力等參量，是簡(jiǎn)化的無人機(jī)數(shù)字模型。（2）在設(shè)計(jì)中，根據(jù)參考文獻(xiàn)找到常見的PID參數(shù)大致范圍，通過Matlab仿真在范圍內(nèi)試探出一組比較穩(wěn)定的PID參數(shù)，并對(duì)控制器的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和參考。（3）設(shè)計(jì)控制器的時(shí)候，PID參數(shù)不是很好，所以在某些情況會(huì)出現(xiàn)超調(diào)過大的情況。（4）設(shè)計(jì)的控制器是以線性化四旋翼無人機(jī)模型為基礎(chǔ)的，在搭建Simulink模型的時(shí)候，在很多地方加了限幅模塊，控制姿態(tài)角的輸出防止運(yùn)行時(shí)無人機(jī)失控，所以不適用于四旋翼無人機(jī)姿態(tài)角過大的情況。（5）設(shè)計(jì)的位置控制器和姿態(tài)控制器輸出的不是拉力和力矩的真實(shí)物理量，而是它們對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)值。（6）無人機(jī)數(shù)字建模過程中，由于無人機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系下的z軸方向向下和角度以弧度為單位，所以在搭建Simulink模型的時(shí)候注意了方向符號(hào)和角度單位的轉(zhuǎn)換。通過這次無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真，我深刻的意識(shí)到我所學(xué)的無人機(jī)的知識(shí)還十分淺薄，剛開始設(shè)計(jì)的時(shí)候還不知從何下手，只能通過網(wǎng)上的文獻(xiàn)和資料去學(xué)習(xí)彌補(bǔ)知識(shí)上的缺漏。單單知道設(shè)計(jì)原理還不夠，還需要通過自己的理解和大量查閱參考數(shù)據(jù)去進(jìn)行設(shè)計(jì)，多次設(shè)計(jì)出來的結(jié)果不盡人意，但最后設(shè)計(jì)的完成讓我知道自己的能力是能夠提升，我還有很多無人機(jī)的專業(yè)知識(shí)要學(xué)，只有體驗(yàn)到過程的不易才能得到鍛煉，才能豐富自己的文學(xué)素養(yǎng)和專業(yè)知識(shí)水平。5.2展望希望通過這次簡(jiǎn)化的多旋翼無人機(jī)數(shù)字模型設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)能解決傳統(tǒng)無人機(jī)設(shè)計(jì)與測(cè)試中存在的一些難題，掌握無人機(jī)領(lǐng)域的理論與利用有關(guān)無人機(jī)仿真工具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并相互促進(jìn)，達(dá)到無人機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)