四旋翼无人机

四旋翼无人机———动力学模型建立目录一、无人机介绍及其原理二、无人机动力学模型12一、无人机介绍及其原理[Imageinformationinproduct]实物图edtobeusedwithinthisPowerPointtemplateonly.Youmaynotextracttheimageforanyotheruse.四旋翼无人机Textinhere1、旋翼对称分布2、电机1.3与电机1.4的旋转方向相反，用于平衡反扭矩。1.结构形式四旋翼无人机结构形式图Textinhere2、工作原理（1）飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。（2）只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。（a）垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，拉力增大，上升，反之同时减小而下降。（b）俯仰运动：电机1的转速增加，电机3的转速下降（改变量大小应相等），电机2、4的转速保持不变，绕y轴顺时针转动，同理绕y轴逆时针转动。Textinhere（c）滚转运动：与图b俯仰运动，在图c中，改变电机2、4的转速，保持电机1、3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。（d）偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的一个对角两个正转，另一对角两个反转。Textinhere（e）前后运动：电机3转速增加，使拉力增大，相应电机1转速减小，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。（f）倾向运动：侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样。Textinhere二、无人机动力学模型1.模型假设（1）无人机是刚体且对称。（2）地面坐标系为惯性坐标系，重力加速度不随飞行高度的变化而变化。（3）不计地球自转和公转运动的影响。（4）4个螺旋桨轴与Z轴平行排列。（5）机体坐标系原点与质心一致。（6）忽略空气阻力。Textinhere2.建模过程（1）四个螺旋桨轴与Z轴平行排列，升力分别为（2）地面坐标系E(OXYZ)，机身坐标系B(oxyz)，定义了3个欧拉角:横滚角φ，俯仰角θ和偏航角ψ，分别表示机体绕x，y，z轴旋转到X，Y，Z轴的角度，这3个角构成飞行器的姿态角，如下图。Textinhere从上中可以得到机体坐标系到地面坐标系每个轴的转换矩阵。Textinhere此时机体坐标系B到地面坐标系E的转换矩阵为:将式(1)～(3)代入式(4)中可得到式(5)在机体坐标系下，飞行器的受力为:Textinhere将坐标转换矩阵(5)代入，可得到在地面坐标系中飞行器的受力在地面坐标系下，飞行器的质心运动方程为Textinhere对于飞行器的角位移运动方程，采用拉格朗日力学方法来推导飞行器的动能表示为飞行器的势能表示为Textinhere由Lagrange方程，有L=T－V，取广义坐标其对应的广义力为:分别代入到Lagrange方程中，可得飞行器的角位移运动方程Textinhere定义四旋翼飞行器子系统的4个输入量为将式(8)和(11)结合起来，可得到飞行器的动力学模型Textinhere谢谢