四旋翼飞行器的飞行控制系统设计.ppt

四旋翼飞行器的飞行控制系统设计四旋翼飞行器的飞行控制系统设计邱丽飞行控制系统总体设计一、四旋翼飞行器选型一、四旋翼飞行器选型二、四旋翼飞控器控制的特点二、四旋翼飞控器控制的特点三、四旋翼飞行控制系统的基本工作原理三、四旋翼飞行控制系统的基本工作原理四、飞行控制器总体结构四、飞行控制器总体结构五、四旋翼飞行器模型五、四旋翼飞行器模型六、姿态解算六、姿态解算七、控制算法：七、控制算法：PID控制、滑模控制、鲁控制、滑模控制、鲁棒控制、棒控制、Kalman滤波等滤波等方案一、买整机改装：重点在控制器的设计、改善飞行品质上，忽略底层结构设计和模型搭建琐碎问题。方案二、买配件后自己组装：大量时间和精力放在结构设计和零件选取购买上。建议：方案一，选成熟的“X”型四旋翼飞行器一、四旋翼飞行器选型四旋翼飞行器选型需考虑的几个主要参数：四旋翼飞行器选型需考虑的几个主要参数：重量：重量：遥控模型重量（含电池）、有效载重量遥控模型重量（含电池）、有效载重量（和海拔、电池、环境有关，需够携带一微（和海拔、电池、环境有关，需够携带一微型摄像机）。型摄像机）。尺寸：尺寸：机身全长、机身宽、机高、旋翼直径。机身全长、机身宽、机高、旋翼直径。飞行时间：飞行时间：无线控制无线控制动力：动力：电池供电、四电机驱动电池供电、四电机驱动一、四旋翼飞行器选型例例1：Draganflyer IV级遥控模型主要参数级遥控模型主要参数例例2：华科尔：华科尔4#遥控模型主要参数遥控模型主要参数华科尔华科尔4#4#是一个是一个闭环控制系统闭环控制系统，它把三个陀螺仪作为反，它把三个陀螺仪作为反馈来稳定控制馈来稳定控制滚转滚转、俯仰俯仰和和偏航偏航。闭环控制有两优点：。闭环控制有两优点：一是机身旋转和操控员命令相对应；二，纠正外部来一是机身旋转和操控员命令相对应；二，纠正外部来的干扰（如：风）的干扰（如：风）四旋翼飞行器有四个输入力、六个输出（即六自由度，包括绕三个轴的转动：俯仰、偏航和滚转，重心三个轴的线运动：进退、左右、侧飞和升降），所以它是一种欠驱动系统（少输入多输出系统）。这种系统容易导致不稳定，需要确保长期稳定的控制方法。二、四旋翼飞行器控制的特点四旋翼飞行器的输入就是每个电机的旋转力矩之和。俯仰运动是由加大（或减小）后端旋翼速度，同时减小（或加大）前端旋翼转速来实现的。滚转运动，即加大（或减小）左侧旋翼转速，同时减小（或加大）右侧旋翼转速。偏航运动是由加大（或减小）前后旋翼的转速，减小（或加大）两侧翼的转速来实现的。二、四旋翼飞行器控制的特点四旋翼飞行器飞行控制系统简图三、四旋翼飞器系统的基本工作原理四、四旋翼飞控系统总体结构整个飞行控制系统包括传感器模块、四电机控制模块、中心控制模块、无线通信模块和地面控制站等部分五、四旋翼飞行器平动动力学模型平动动力学模型平动动力学模型m四旋翼直升机质量四旋翼直升机质量 直升机平动位置，直升机平动位置，=x y z G 重力加速度，重力加速度，G=0 0 g 直升机四个螺旋桨总升力直升机四个螺旋桨总升力 平动拖拽力系数平动拖拽力系数 五、四旋翼飞行器平动动力学模型 其中其中其中，其中，螺旋桨螺旋桨i产生的升力产生的升力 R 为从地面坐标系到载体坐标系的坐标转换矩阵为从地面坐标系到载体坐标系的坐标转换矩阵五、四旋翼飞行器模型建立 平动动力学模型平动动力学模型 转动动力学模型转动动力学模型五、四旋翼飞行器非线性运动方程五、模型简化 的组合简化的组合简化 简化三角函数简化三角函数 忽略二次项相乘，认为是高阶小项忽略二次项相乘，认为是高阶小项五、模型简化 选择后四行进行控制选择后四行进行控制 输出量输出量 输入量输入量 控制三个位置控制三个位置x，y，z；控制横滚角控制横滚角 ；控制俯仰角控制俯仰角 ；控制偏航角控制偏航角 五、传递函数矩阵六、捷联惯性导航六、捷联惯性导航姿态解算姿态解算硬件硬件加速度计、陀螺仪、数字罗盘加速度计、陀螺仪、数字罗盘加速度计输出基于载体坐标系的加速度，数字罗盘输加速度计输出基于载体坐标系的加速度，数字罗盘输出基于载体坐标系的磁场强度，二者结合可解算出三出基于载体坐标系的磁场强度，二者结合可解算出三轴姿态角（横滚、俯仰、偏航）轴姿态角（横滚、俯仰、偏航）陀螺输出三个轴向的角速度，积分运算得到载体的姿陀螺输出三个轴向的角速度，积分运算得到载体的姿态角态角数据融合数据融合低成本固态陀螺的性能较差，能保证短时间内的测量低成本固态陀螺的性能较差，能保证短时间内的测量精度，响应速度快，但长时间产生漂移精度，响应速度快，但长时间产生漂移采用加速度计和数字罗盘联合输出值数据稳定，补偿采用加速度计和数字罗盘联合输出值数据稳定，补偿陀螺仪的漂移陀螺仪的漂移六、加速度计、数字罗盘解算姿态六、加速度计、数字罗盘解算姿态观测向量观测向量速度计可以测得重力加速度在载体坐标系速度计可以测得重力加速度在载体坐标系X轴、轴、Y轴轴上的分量上的分量 、，根据几何关系得到，根据几何关系得到 偏航角偏航角 通过数字罗盘得到通过数字罗盘得到六、陀螺仪解算姿态六、陀螺仪解算姿态状态向量状态向量陀螺仪通过单轴积分法获得三轴姿态角陀螺仪通过单轴积分法获得三轴姿态角x x为陀螺仪输出电压，为陀螺仪输出电压，y y为旋转角速度为旋转角速度k k为输出电压到旋转角速度的比例系数为输出电压到旋转角速度的比例系数b b为陀螺仪输出电压零点。为陀螺仪输出电压零点。七、多传感器融合七、多传感器融合卡尔曼滤波卡尔曼滤波 KkdelayAk-1 Ck+-+vkXk|k-1xk选取状态矢量选取状态矢量计算观测向量计算观测向量卡尔曼滤波算法就是卡尔曼滤波算法就是预测预测和和修正修正的不断递归。的不断递归。预测新的状态预测新的状态和和协协方差方差，然后利用观测向量对状态，然后利用观测向量对状态和协方差进行修正。和协方差进行修正。