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1、四旋翼無人機,動力學(xué)模型建立,目錄,一、無人機介紹及其原理,二、無人機動力學(xué)模型,1,2,一、無人機介紹及其原理,Image information in product 實物圖ed to be used within this PowerPoint template only. You may not extract the image for any other use,四旋翼無人機,Text in here,1、旋翼對稱分布 2、電機1.3與電機1.4的旋轉(zhuǎn)方向相反，用于平衡反扭矩,1.結(jié)構(gòu)形式,四旋翼無人機結(jié)構(gòu)形式圖,Text in here,2、工作原理,1）飛行器通過調(diào)節(jié)四個電機轉(zhuǎn)
2、速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。 （2）只有四個輸入力，同時卻有六個狀態(tài)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動系統(tǒng),a）垂直運動：同時增加四個電機的輸出功率，拉力增大，上升，反之同時減小而下降。 （b）俯仰運動：電機 1的轉(zhuǎn)速增加，電機 3 的轉(zhuǎn)速下降（改變量大小應(yīng)相等），電機 2、4 的轉(zhuǎn)速保持不變，繞y軸順時針轉(zhuǎn)動，同理繞y軸逆時針轉(zhuǎn)動,Text in here,c）滾轉(zhuǎn)運動：與圖 b 俯仰運動，在圖 c 中，改變電機 2、4的轉(zhuǎn)速，保持電機1、3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機身繞 x 軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運動。 （d）偏航運動：旋翼轉(zhuǎn)動過程中由于空氣阻力作用會形
3、成與轉(zhuǎn)動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的一個對角兩個正轉(zhuǎn)，另一對角兩個反轉(zhuǎn),Text in here,e）前后運動：電機3轉(zhuǎn)速增加，使拉力增大，相應(yīng)電機1轉(zhuǎn)速減小，使拉力減小，同時保持其它兩個電機轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。 （f）傾向運動：側(cè)向飛行的工作原理與前后運動完全一樣,Text in here,二、無人機動力學(xué)模型,1.模型假設(shè),1）無人機是剛體且對稱。 （2）地面坐標(biāo)系為慣性坐標(biāo)系， 重力加速度不隨飛 行高度的變化而變化。 （3）不計地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運動的影響。 （4） 4個螺旋槳軸與 Z 軸平行排列。 （5）機體坐標(biāo)系原點與質(zhì)心一致。 （6）忽略空氣阻力,
4、Text in here,2.建模過程,1）四個螺旋槳軸與Z軸平行排列，升力分別為,2）地面坐標(biāo)系E(OXYZ)，機身坐標(biāo)系B(oxyz)，定義了3個歐拉角: 橫滾角，俯仰角和偏航角，分別表示機體繞 x，y，z 軸旋轉(zhuǎn)到 X，Y，Z 軸的角度，這3個角構(gòu)成飛行器的姿態(tài)角，如下圖,Text in here,從上中可以得到機體坐標(biāo)系到地面坐標(biāo)系每個軸的轉(zhuǎn)換矩陣,Text in here,此時機體坐標(biāo)系 B 到地面坐標(biāo)系 E 的轉(zhuǎn)換矩陣為,將式(1)(3)代入式(4)中可得到式(5,在機體坐標(biāo)系下，飛行器的受力為,Text in here,將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣(5)代入，可得到在地面坐標(biāo)系中飛行器的受力,在地面坐標(biāo)系下，飛行器的質(zhì)心運動方程為,Text in here,對于飛行器的角位移運動方程，采用拉格朗日力學(xué)方法來推導(dǎo),飛行器的動能表示為,飛行器的勢能表示為,Text in here,由 Lagrange 方程，有 L = T V，取廣義坐標(biāo),其對應(yīng)的廣義力為,分別代入到 Lagrange 方程中，可得飛行器的角位移運動方程,Text in here,定義四旋翼飛行器子系統(tǒng)的 4 個輸入量為,將式(8)和(11)結(jié)合起來，可得到飛行器的動力學(xué)模型,Text in here,謝謝
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