四旋翼飞行器飞行控制系统设计ppt课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,四旋翼飞行器的飞行控制系统设计,邱丽,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,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,四、飞行控制器总体结构,五、四旋翼飞行器模型,六、姿态解算,七、控制算法：,PID,控制、滑模控制、鲁棒控制、,Kalman,滤波等,飞行控制系统总体设计一、四旋翼飞行器选型,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,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,四旋翼飞行器选型需考虑的几个主要参数：,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，需够携带一微型摄像机）。,尺寸：,机身全长、机身宽、机高、旋翼直径。,飞行时间：,无线控制,动力：,电池供电、四电机驱动,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：一、四旋翼飞行器选型,例,1,：,Draganflyer IV,级遥控模型主要参数,例1：Draganflyer IV级遥控模型主要参数,例,2,：华科尔,4#,遥控模型主要参数,华科尔,4#,是一个,闭环控制系统,，它把三个陀螺仪作为反馈来稳定控制,滚转,、,俯仰,和,偏航,。闭环控制有两优点：一是机身旋转和操控员命令相对应；二，纠正外部来的干扰（如：风）,例2：华科尔4#遥控模型主要参数华科尔4#是一个闭环控制系统,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,四旋翼飞行器有四个输入力、六个输出（即六自由度，包括绕三个轴,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,四旋翼飞行器的输入就是每个电机的旋转力矩之和。俯仰运动是由加,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,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、四,五、四旋翼飞行器平动动力学模型,平动动力学模型,m,四旋翼直升机质量,直升机平动位置，,=x y z,G,重力加速度，,G=0 0 g,直升机四个螺旋桨总升力,平动拖拽力系数,五、四旋翼飞行器平动动力学模型平动动力学模型,五、四旋翼飞行器平动动力学模型,其中,其中，,螺旋桨,i,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,五、四旋翼飞行器平动动力学模型 其中,五、四旋翼飞行器模型建立,平动动力学模型,转动动力学模型,五、四旋翼飞行器模型建立 平动动力学模型,五、四旋翼飞行器非线性运动方程,五、四旋翼飞行器非线性运动方程,五、模型简化,的组合简化,简化三角函数,忽略二次项相乘，认为是高阶小项,五、模型简化 的组合简化,五、模型简化,五、模型简化,选择后四行进行控制,输出量,输入量,控制三个位置,x,，,y,，,z,；控制横滚角 ；控制俯仰角 ；控制偏航角,五、传递函数矩阵,选择后四行进行控制五、传递函数矩阵,六、捷联惯性导航,姿态解算,硬件,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）,陀螺输出三个轴向的角速度，积分运算得到载体的姿态角,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，补偿陀螺仪的漂移,六、捷联惯性导航姿态解算硬件,六、加速度计、数字罗盘解算姿态,观测向量,速度计可以测得重力加速度在载体坐标系,X,轴、,Y,轴上的分量,、，根据几何关系得到,偏航角,通过数字罗盘得到,六、加速度计、数字罗盘解算姿态观测向量速度计可以测得重力,六、陀螺仪解算姿态,状态向量,陀螺仪通过单轴积分法获得三轴姿态角,x,为陀螺仪输出电压，,y,为旋转角速度,k,为输出电压到旋转角速度的比例系数,b,为陀螺仪输出电压零点。,六、陀螺仪解算姿态状态向量陀螺仪通过单轴积分法获得三轴姿态,七、多传感器融合,卡尔曼滤波,K,k,delay,A,k-1,C,k,+,-,+,+,v,k,X,k|k-1,x,k,选取状态矢量,计算观测向量,卡尔曼滤波算法就是,预测,和,修正,的不断递归。,预测新的状态,和,协方差,，然后利用观测向量对状态和协方差进行修正。,七、多传感器融合卡尔曼滤波 KkdelayAk-1 Ck+,