四旋翼飞行器建模与仿真Matlab概要

四旋翼⽆⼈机的三维动态Matlab仿真四旋翼⽆⼈机的三维动态Matlab仿真1 简介⽆⼈机(UAV, Unmanned Aerial Vehicle)，是⼀种装载有动⼒装置的⽆⼈驾驶飞⾏器。

与传统的有⼈驾驶飞机相⽐，⽆⼈机不收⼈的⽣理极限和⼼理限制，可以执⾏危险性答的任务，可代替⼈类完成⾼危环境以及⼭区恶劣环境条件下的任务。

因此，UAV有着⼴泛的应⽤：军事上可⽤于侦查、监控、反恐作战等；民⽤上可⽤于航拍、交通巡逻、架空线缆巡检、危险区域巡查和救灾等。

在⼀些危险区域或不可抵达的环境中，⽆⼈机显得更为重要。

相较于有⼈驾驶的飞机，⽆⼈机的飞⾏控制系统设计更为重要。

由于没有⼈的直接操纵，所以要求⽆⼈机能⾃动调整其姿态、速度、航迹，甚⾄还要求⽆⼈机在运⾏过程中能根据任务需求⾃主进⾏飞⾏调度和航迹规划。

⽆⼈机根据其机翼的类型可以分为固定翼式和旋翼式⽆⼈机。

固定翼式⽆⼈机在技术上已经⾮常成熟，其应⽤也相当的⼴泛。

在军事上，⽆⼈机凭借⽆⼈驾驶，机动性好，飞⾏时间长，便于隐蔽等特点在战争中起到越来越重要的作⽤。

美国空军在1997年专门成⽴了⽆⼈机作战实验室。

在海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争、伊拉克战争等多次局部战争中，投⼊“全球鹰”，“捕⾷者”为代表的数百架⽆⼈机直接参与军事⾏动，起到了明显的效果。

特别地，在伊拉克战争中，“捕⾷者”的任务是为战⽃机识别⽬标，其任务完成率达77.2%。

“全球鹰”则为摧毁伊拉克防空武器的⾏动提供了⼀半以上的⽬标锁定对象。

此外，美国还在境外修建⽆⼈机基地，⽤来打击“基地”等恐怖组织，且逐渐成为猎杀的主要⼿段。

美国使⽤⽆⼈机在军事上的成功应⽤，让各国纷纷效仿，开始重视并加快对⽆⼈机的开发和研制。

在民事应⽤上，⽆⼈机可⽤于重⼤灾难抢险和森林⽕警监控、天⽓预报、航空拍摄、摄影测量、跟踪搜索等⽅⾯。

相⽐于固定翼式⽆⼈机，旋翼式⽆⼈机发展缓慢的多。

主要原因是旋翼式飞⾏器的控制远⽐固定翼式复杂。

基于matlab的四旋翼控制仿真与抗干扰验证引言四旋翼无人机（UAV）因其灵活的飞行特性和广泛的应用领域而受到了广泛的关注。

由于外部环境、飞行姿态和飞行任务的多样性，四旋翼无人机的控制系统需要具备较强的鲁棒性和抗干扰能力。

对四旋翼的控制系统进行仿真和抗干扰验证就显得尤为重要。

本文基于matlab对四旋翼的控制系统进行了仿真，并通过抗干扰验证的实验，以验证控制系统的鲁棒性和抗干扰能力。

首先介绍了四旋翼的基本结构和运动原理，然后分析了四旋翼的控制系统设计，并使用matlab对其进行了仿真。

最后进行了抗干扰验证实验，通过对仿真结果的分析，验证了四旋翼控制系统的鲁棒性和抗干扰能力。

一、四旋翼的基本结构和运动原理四旋翼无人机是一种由四个电动马达驱动的旋翼飞行器，它能够通过改变四个电动马达的转速和方向，来实现飞行姿态的控制。

四个电动马达分别安装在无人机的四个臂上，并通过不同的电调装置，来改变电动马达的转速和方向，从而实现飞行器的姿态控制和飞行。

二、四旋翼的控制系统设计四旋翼无人机的控制系统主要包括姿态控制系统和导航控制系统两部分。

姿态控制系统主要用于控制飞行器的姿态和运动，包括俯仰、横滚和偏航等动作；导航控制系统主要用于控制飞行器的位置和航线，包括高度、位置和航向的控制。

姿态控制系统通常采用PID控制器来对四旋翼的姿态进行控制，PID控制器是一种比例、积分、微分控制器，通过对飞行器的姿态误差进行检测和修正，来实现飞行器的姿态控制。

导航控制系统通常采用惯性导航和全局定位系统来对飞行器的位置和航向进行控制，通过对飞行器的位置误差进行检测和修正，来实现飞行器的导航控制。

抗干扰验证实验主要包括对飞行器的姿态和导航进行抗干扰测试，首先对不同的外部干扰进行仿真测试，例如风速、气流等外部因素的干扰；然后对不同的飞行任务进行仿真测试，例如快速转弯、快速速度变化等飞行任务的干扰；最后对仿真结果进行分析和对比，来验证四旋翼控制系统的鲁棒性和抗干扰能力。

基于matlab的四旋翼控制仿真与抗干扰验证四旋翼无人机已经广泛应用于军事、民用、科研等领域，其控制算法研究是一个重要的问题。

在四旋翼控制中，抗干扰能力是至关重要的，因为四旋翼无人机在飞行过程中可能会受到各种来自外部环境和内部因素的干扰。

本文基于matlab平台，通过搭建仿真环境，对四旋翼控制算法的抗干扰能力进行验证。

一、建立仿真模型本文中所采用的四旋翼模型为一架四轴飞行器，它由四个相互独立的直流无刷电机驱动，每个电机带有一个螺旋桨。

四旋翼的运动状态可以用三个欧拉角来描述，即俯仰角、翻滚角和偏航角。

通过编写matlab程序，可以实现四旋翼模型的动态模拟，同时也可以实现其控制算法的仿真。

二、控制算法设计在四旋翼控制中，通常采用PID控制器来实现对飞行器的控制。

PID控制器是一种经典的控制算法，其原理是通过比较实际输出值和期望值之间的偏差来计算调整量，最终实现对输出量的控制。

本文中所采用的PID控制器包含三个控制回路，分别对应俯仰角、翻滚角和偏航角，其数学公式如下：$$ \begin{aligned} u_{p}&=K_{p}e(t) \\u_{i}&=K_{i}\int_{0}^{t}e(\tau)d\tau \\ u_{d}&=K_{d}\frac{d}{dt}e(t)\end{aligned} $$其中，$u_{p}$、$u_{i}$、$u_{d}$分别为比例、积分、微分控制器的输出，$e(t)$为期望值与实际输出值的偏差，$K_{p}$、$K_{i}$和$K_{d}$为三个控制回路的系数。

三、抗干扰验证为了验证PID控制器的抗干扰能力，本文采用了三种干扰信号进行仿真实验，分别为：1. 噪声干扰：给四旋翼的传感器信号添加随机噪声，模拟实际飞行中的传感器噪声。

2. 风速干扰：给四旋翼模型增加风速信号，模拟实际飞行中的不同风速情况。

将三种干扰信号分别加入到PID控制器中，测量其对欧拉角的影响。

动态系统建模（四旋翼飞行器仿真）实验报告:动态系统建模（四旋翼飞行器仿真）实验报告院（系）名称大飞机班学号学生姓名任课教师2021年 _月四旋翼飞行器的建模与仿真一、实验原理 I．四旋翼飞行器简介四旋翼飞行器通过四个螺旋桨产生的升力实现飞行，原理与直升机类似。

四个旋翼位于一个几何对称的十字支架前、后、左、右四端，如图1-1所示。

旋翼由电机控制；整个飞行器依靠改变每个电机的转速来实现飞行姿态控制。

在图1-1中，前端旋翼1 和后端旋翼3 逆时针旋转，而左端旋翼2 和右端的旋翼4 顺时针旋转，以平衡旋翼旋转所产生的反扭转矩。

由此可知，悬停时，四只旋翼的转速应该相等，以相互抵消反扭力矩；同时等量地增大或减小四只旋翼的转速，会引起上升或下降运动；增大某一只旋翼的转速，同时等量地减小同组另一只旋翼的转速，则产生俯仰、横滚运动；增大某一组旋翼的转速，同时等量减小另一组旋翼的转速，将产生偏航运动。

图1-1 四旋翼飞行器旋翼旋转方向示意图从动力学角度分析，四旋翼飞行器系统本身是不稳定的，因此，使系统稳定的控制算法的设计显得尤为关键。

由于四旋翼飞行器为六自由度的系统（三个角位移量，三个线位移量），而其控制量只有四个（4 个旋翼的转速），这就意味着被控量之间存在耦合关系。

因此，控制算法应能够对这种欠驱动（under-actuated）系统足够有效，用四个控制量对三个角位移量和三个线位移量进行稳态控制。

本实验针对四旋翼飞行器的悬浮飞行状态进行建模。

II．飞行器受力分析及运动模型（1）整体分析如图1-2所示，四旋翼飞行器所受外力和力矩为：Ø重力mg，机体受到重力沿-Zw方向Ø四个旋翼旋转所产生的升力Fi(i=1,2,3,4)，旋翼升力沿ZB方向Ø旋翼旋转会产生扭转力矩Mi (i=1,2,3,4)， Mi垂直于叶片的旋翼平面，与旋转矢量相反。

图1-2 四旋翼飞行器受力分析（2）电机模型Ø力模型（1.1）旋翼通过螺旋桨产生升力。

基于matlab的四旋翼控制仿真与抗干扰验证二、四旋翼控制系统建模1. 四旋翼飞行动力学模型四旋翼飞行器由四个相对的旋翼组成，每个旋翼通过改变叶片的转速来产生升力和前进力，因此其飞行动力学模型可以用以下动力学方程描述：\[ \begin{pmatrix} {F} \\ {M_{\phi}} \\ {M_{\theta}} \\ {M_{\psi}} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} {1} & {1} & {1} & {1} \\ {0} & {-l\cos\phi} & {0} & {l\sin\phi} \\ {l\cos\theta} & {0} & {-l\sin\theta} & {0} \\ {-d} & {d} & {-d} & {d} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} {\omega_1^2} \\ {\omega_2^2} \\ {\omega_3^2} \\ {\omega_4^2}\end{pmatrix} \]F 代表合力， M_{\phi} 、 M_{\theta} 、 M_{\psi} 分别代表绕x轴、y轴和z轴的力矩， \phi 、 \theta 、 \psi 分别代表滚转角、俯仰角和偏航角， \omega_1 、\omega_2 、 \omega_3 、 \omega_4 分别代表四个旋翼的转速， l 代表旋翼到质心的距离， d 代表绕旋翼传动轴的摩擦系数。

2. 四旋翼控制系统模型四旋翼控制系统主要包括姿态控制、高度控制和航向控制三个部分。

姿态控制通过控制各个旋翼的转速来实现飞行器的姿态变化，高度控制通过控制总的升力来实现飞行器的高度变化，航向控制通过控制飞行器的偏航角来实现飞行器的航向变化。

四旋翼控制系统模型可以用以下状态空间方程来描述：\[ \dot{x} = Ax + Bu \]x 代表系统的状态变量， u 代表系统的输入变量， A 代表系统的状态矩阵， B 代表系统的输入矩阵。

基于matlab的四旋翼控制仿真与抗干扰验证1. 引言1.1 背景介绍四旋翼飞行器是一种新兴的无人机飞行器，具有垂直起降和灵活性强的特点，在军事、民用和科研领域都有广泛应用。

随着科技的发展和社会的需求不断增加，四旋翼飞行器的控制系统设计和稳定性问题成为研究的热点之一。

在四旋翼飞行器的控制系统设计中，控制算法的选择和实现是至关重要的。

控制算法的设计直接影响到飞行器的稳定性和飞行性能，因此需要针对四旋翼飞行器的特点和需求来设计相应的控制算法。

通过基于Matlab的仿真分析，可以模拟四旋翼飞行器在不同环境和条件下的飞行情况，验证控制算法的有效性和稳定性。

抗干扰验证也是十分重要的，因为四旋翼飞行器在实际飞行中会受到各种干扰因素的影响，需要设计相应的控制策略来应对。

本文旨在通过基于Matlab的四旋翼控制仿真与抗干扰验证，研究四旋翼飞行器的控制系统设计和稳定性问题，为提高飞行器的飞行性能和稳定性提供理论支持和实验数据。

也希望为今后进一步研究和开发四旋翼飞行器提供参考和借鉴。

1.2 研究目的研究目的是通过基于Matlab的四旋翼控制仿真与抗干扰验证，探索四旋翼控制系统设计中的关键技术和方法，提高四旋翼系统的飞行稳定性和精度。

具体目的包括但不限于：深入研究四旋翼控制系统的设计原理和模型，探讨控制算法在四旋翼系统中的实际应用，分析控制系统对不同外部干扰的响应能力。

通过仿真验证和抗干扰实验，验证控制算法在不同环境条件下的有效性和稳定性，为四旋翼系统的工程应用提供理论支持和技术指导。

通过研究实践，深入理解四旋翼系统的控制原理，为进一步完善四旋翼系统的控制性能以及解决其在实际应用中面临的挑战提供参考和方向。

通过本研究，旨在为四旋翼控制技术的研究和应用提供新的思路和方法，推动四旋翼技术的发展和应用。

1.3 研究意义四旋翼无人机在军事、民用领域得到了广泛的应用，随着无人机技术的发展，其控制系统的设计和性能优化变得尤为关键。

应用技术2012年第5期自动化与信息工程 25基于Adams 与Matlab 的四旋翼飞行器控制仿真胡锦添 舒怀林（广州大学机械与电气工程学院）摘要：为了避免推导四旋翼飞行器动力学方程的繁琐过程，提高其机械系统与控制系统的设计效率，在三维绘图软件Solidworks 中建立四旋翼飞行器的实体模型，然后通过动力学仿真软件Adams 的接口模块Adams/control 与Matlab 进行数据交换，利用Matlab/Simulink 搭建了四旋翼飞行器控制系统的仿真平台，最终实现基于Matlab 与Adams 的四旋翼飞行器的联合动态仿真。

同时验证了该系统具有良好的响应特性与跟踪特性，体现了Adams 与Matlab 联合仿真的可行性与优越性。

关键词：四旋翼；飞行器；Adams ；Matlab ；控制仿真0 前言四旋翼飞行器是一种四螺旋桨驱动的、可垂直升降的飞行器，这种结构被广泛用于微小型无人飞行器的设计，具有重要的军用和民用价值。

它同时也具有欠驱动、多变量、强耦合、非线性和不确定等复杂特性。

近年来，随着新型材料、微机电、微惯导以及飞行控制等技术的进步，四旋翼飞行器得到了迅速发展，逐渐成为人们关注的焦点[1]。

Adams 软件是美国MDI 公司开发的虚拟样机分析软件，它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，更具有开放性的程序结构和多种接口，方便进行二次开发。

但是对于控制系统的设计，Adams 只能处理一般的简单控制环节。

相比之下，Matlab 能够处理各种复杂的高级控制环节，如智能控制系统。

如果能充分发挥两者的特点，结合在一起使用，这将给复杂机电系统的设计提供一种新方法[2-3]。

本文利用Adams 软件和Matlab 软件，对四旋翼飞行器及其控制系统进行联合仿真。

利用Matlab/Simulink 模块搭建了四旋翼飞行器控制系统的仿真平台，实现基于Matlab 与Adams 的四旋翼飞行器的联合动态仿真，避免了推导四旋翼飞行器的动力学方程的繁琐过程，提高了四旋翼飞行器设计效率。

四旋翼飞行器动态系统建模仿真实验报告院（系）称学生姓名学生学号指导教师2010年12月18日1.实验目的通过在Matlab环境中对四旋翼飞行器进行系统建模，掌握四旋翼飞行器的建模和控制方法和在Matlab下快速建立虚拟可视化环境的方法。

2.实验设备（1）硬件：PC机。

（2）工具软件：操作系统：Windows系列；软件工具：MATLAB及simulink。

3.实验原理及实验要求3.1实验原理四旋翼飞行器通过四个螺旋桨产生的升力实现飞行，原理与直升机类似。

四个旋翼位于一个几何对称的十字支架前，后，左，右四端，如图1 所示。

旋翼由电机控制；整个飞行器依靠改变每个电机的转速来实现飞行姿态控制。

图1四旋翼飞行器旋转方向示意图在图 1 中，前端旋翼1 和后端旋翼3 逆时针旋转，而左端旋翼 2 和右端的旋翼4 顺时针旋转，以平衡旋翼旋转所产生的反扭转矩。

由此可知，悬停时，四只旋翼的转速应该相等，以相互抵消反扭力矩；同时等量地增大或减小四只旋翼的转速，会引起上升或下降运动；增大某一只旋翼的转速，同时等量地减小同组另一只旋翼的转速，则产生俯仰、横滚运动；增大某一组旋翼的转速，同时等量减小另一组旋翼的转速，将产生偏航运动。

四旋翼飞行器受力分析,如图 2 所示，旋翼机体所受外力和力矩为：图2四旋翼飞行器受力分析示意图旋翼机体所受外力和力矩为：重力mg , 机体受到重力沿w z -方向；四个旋翼旋转所产生的升力i F (i= 1 , 2 , 3 , 4)，旋翼升力沿b z 方向； 旋翼旋转会产生扭转力矩i M (i= 1 , 2 , 3 , 4)。

i M 垂直于叶片的旋翼平面，与旋转矢量相反。

按照图3所示的控制回路对飞机的运动状态进行控制，控制回路包括内外两层。

图3包含内外两个控制回路的控制结构3.2实验要求（1）基于Simulink 建立四旋翼飞行器的悬停控制回路，实现飞行器的悬停控制；（2）建立GUI界面，能够输入参数并绘制运动轨迹；（3）基于VR Toolbox建立3D动画场景，能够模拟飞行器的运动轨迹（不要求模拟螺旋桨的转动）。

动态系统建模（四旋翼飞行器仿真）实验报告院（系）名称大飞机班学号ZY11DF120学生姓名叶心宇任课教师马耀飞2019年12月四旋翼飞行器的建模与仿真一、实验原理I．四旋翼飞行器简介四旋翼飞行器通过四个螺旋桨产生的升力实现飞行，原理与直升机类似。

四个旋翼位于一个几何对称的十字支架前、后、左、右四端，如图1-1所示。

旋翼由电机控制；整个飞行器依靠改变每个电机的转速来实现飞行姿态控制。

在图1-1中，前端旋翼1 和后端旋翼3 逆时针旋转，而左端旋翼2 和右端的旋翼4 顺时针旋转，以平衡旋翼旋转所产生的反扭转矩。

由此可知，悬停时，四只旋翼的转速应该相等，以相互抵消反扭力矩；同时等量地增大或减小四只旋翼的转速，会引起上升或下降运动；增大某一只旋翼的转速，同时等量地减小同组另一只旋翼的转速，则产生俯仰、横滚运动；增大某一组旋翼的转速，同时等量减小另一组旋翼的转速，将产生偏航运动。

图1-1 四旋翼飞行器旋翼旋转方向示意图从动力学角度分析，四旋翼飞行器系统本身是不稳定的，因此，使系统稳定的控制算法的设计显得尤为关键。

由于四旋翼飞行器为六自由度的系统（三个角位移量，三个线位移量），而其控制量只有四个（4 个旋翼的转速），这就意味着被控量之间存在耦合关系。

因此，控制算法应能够对这种欠驱动（under-actuated）系统足够有效，用四个控制量对三个角位移量和三个线位移量进行稳态控制。

本实验针对四旋翼飞行器的悬浮飞行状态进行建模。

II．飞行器受力分析及运动模型（1）整体分析如图1-2所示，四旋翼飞行器所受外力和力矩为：重力mg，机体受到重力沿-Z w方向四个旋翼旋转所产生的升力F i(i=1,2,3,4)，旋翼升力沿Z B方向旋翼旋转会产生扭转力矩M i (i=1,2,3,4)，M i垂直于叶片的旋翼平面，与旋转矢量相反。

图1-2 四旋翼飞行器受力分析（2）电机模型力模型2i F i F k ω= （1.1）旋翼通过螺旋桨产生升力。

基于matlab的四旋翼控制仿真与抗干扰验证【摘要】本文研究基于matlab的四旋翼控制仿真与抗干扰验证。

在介绍了研究背景、研究目的和研究意义。

正文包括四旋翼控制系统建模、控制策略设计、基于matlab的控制仿真、抗干扰验证和实验结果分析。

结论部分总结了研究成果，讨论了存在问题与展望，并提出了研究的启示。

通过本研究，可以深入了解四旋翼控制系统的原理及其在实际应用中的表现，为相关领域的研究和应用提供有力支持。

【关键词】四旋翼、控制系统、建模、控制策略、仿真、抗干扰、实验结果、分析、研究成果、问题、展望、启示。

1. 引言1.1 研究背景传统的四旋翼控制算法主要包括PID控制和模型预测控制等方法，然而这些方法在面对强烈干扰和快速变化的外部环境时往往表现不佳。

研究基于先进控制算法的四旋翼控制策略，如模糊控制、神经网络控制和自适应控制等，已成为当前研究的热点。

通过引入这些先进的控制方法，可以提高四旋翼无人机的飞行性能和稳定性，进而拓展其在各种领域的应用。

基于matlab的四旋翼控制仿真与抗干扰验证的研究具有重要的理论意义和实践价值。

通过对四旋翼控制系统进行建模和仿真分析，可以为提高四旋翼无人机的飞行性能和控制能力提供重要参考，为无人机技术的发展做出贡献。

1.2 研究目的本文旨在通过基于matlab的四旋翼控制仿真与抗干扰验证研究，探讨四旋翼控制系统的建模方法、控制策略设计和抗干扰性能。

具体研究目的包括：一是深入了解四旋翼控制系统的工作原理和结构特点，探讨其在实际应用中的优缺点；二是设计有效的控制策略，提高四旋翼的飞行稳定性和飞行性能；三是利用matlab工具进行控制仿真，验证设计的控制策略在仿真环境下的有效性和稳定性；四是对四旋翼系统进行抗干扰性能测试，分析系统在外部干扰下的稳定性和鲁棒性；五是通过实验结果分析，评估设计的控制策略在实际应用中的可行性和有效性。

通过以上研究，我们旨在提高四旋翼系统的飞行性能和抗干扰能力，为相关领域的研究和实际应用提供理论和技术支持。

基于matlab的四旋翼控制仿真与抗干扰验证关键词：四旋翼；matlab；控制仿真；抗干扰控制器；鲁棒性；飞行控制针对上述问题，本文基于matlab平台，建立四旋翼的数学模型，并设计了一种针对控制系统的抗干扰控制器，通过控制仿真和抗干扰验证来验证其有效性。

本研究旨在改善四旋翼控制系统的稳定性和鲁棒性，提高其抗干扰能力，为四旋翼的飞行控制提供有力支持。

二、四旋翼数学模型的建立四旋翼由四个电动马达驱动的螺旋桨组成，通过不同螺旋桨的转速调节，可以实现四旋翼在三维空间内的姿态调节和飞行控制。

四旋翼的动力学和姿态控制可以用飞行动力学和四旋翼动力学方程来描述。

1、飞行动力学方程四旋翼的飞行动力学方程可以用以下公式描述：\[m\cdot \ddot{z}=F_z-m\cdot g\]\[I_x\cdot \ddot{\phi}=(I_y-I_z)\cdot \dot{\theta}\cdot \dot{\psi}+L\]\[I_y\cdot \ddot{\theta}=(I_z-I_x)\cdot \dot{\phi}\cdot \dot{\psi}+M\]\[I_z\cdot \ddot{\psi}=(I_x-I_y)\cdot \dot{\phi}\cdot \dot{\theta}+N\]m为四旋翼质量，g为重力加速度，Fz为合力，Ix、Iy、Iz分别为绕x、y、z轴的惯性矩，φ、θ、ψ分别为绕x、y、z轴的转角，L、M、N分别为绕x、y、z轴的力矩。

2、四旋翼动力学方程四旋翼的推力和力矩可以用以下公式描述：\[f_1=k_f(\omega_1)^2\]\[f_2=k_f(\omega_2)^2\]\[f_3=k_f(\omega_3)^2\]\[f_4=k_f(\omega_4)^2\]\[L=k_m(\omega_1)^2\]\[M=k_m(\omega_2)^2\]\[N=k_m(\omega_3)^2\]\[Q=k_m(\omega_4)^2\]f1、f2、f3、f4分别为四个螺旋桨的推力，L、M、N、Q分别为绕x、y、z轴的力矩，kf为螺旋桨的推力系数，km为螺旋桨的力矩系数，ω1、ω2、ω3、ω4为四个螺旋桨的转速。

一种基于Matalb的四旋翼飞行器姿态控制设计与仿真作者：周慧宋义来源：《科技资讯》2016年第20期摘要：近些年，航空界对四旋翼的研究与制造尤为关注。

该文针对四旋翼飞行器的飞行原理，推导了一种四旋翼飞行器数学模型，结合Matlab软件进行了四旋翼飞行器姿态控制仿真。

仿真分析结果表明了模型建立与姿态控制的准确性。

关键词：四旋翼建模仿真 Matlab中图分类号：TP271 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）07（b）-0062-02由于其本身的一些优势特性，使得近些年，航空界更加关注四旋翼的研究与制造。

四旋翼属于4轴4旋翼飞行器，四旋翼飞行时调节末端十字分布的4个电机转速，带动桨叶转动，使四旋翼在空中能够稳定飞行[1]。

4个电机与螺旋桨分布于机架4个轴的末端，2号、4号电机带动一组正桨顺时针旋转，1号、3号电机带动带动一组反桨旋转，同轴的电机转向相同，电机的转速越大，螺旋桨提供的升力就越大。

四旋翼无需改变旋翼桨距角进行飞行，而是通过改变4个螺旋桨的升力来获取不同的空中姿态，从而使四旋翼在空中能够稳定飞行并且做出各种姿态。

四旋翼属一种欠驱动系统，输入量大于输出量。

机架末端4个电机扭转力矩之和为总的输入，四旋翼有6个自由度，即3个轴向的角运动：俯仰、偏航、滚转；三轴向的线运动，前后、左右、升降，也是四旋翼的输出。

机体在空中的姿态中，俯冲运动是加大后端电机转速，同时减小前端电机转速来实现的，反之，可得到升仰运动。

滚转运动、偏航运动，都可通过电机调速来实现。

一般来说，四旋翼在空中的飞行姿态可以分为俯仰、偏航和滚转运动，都是通过调节4个螺旋桨的转速来实现的。

1 四旋翼空气动力学分析及建模四旋翼的动力学建模，是对实际飞行中涉及到的问题与方法进行数学描述和科学研究。

旋翼机的气动性，在本质上是非线性和非定常的，所以对其进行气动分析是建模的关键所在。

虽然四旋翼机体架构较为简单，但其在空中飞行的气动环境与飞行原理较为复杂。

四旋翼飞行器飞行控制系统研究与仿真一、引言：随着无人机技术的发展，四旋翼飞行器作为一种重要的无人机类型，在军事、民用和工业领域中得到了广泛应用。

四旋翼飞行器的飞行控制系统是实现其稳定飞行和精确操控的关键。

本文将对四旋翼飞行器的飞行控制系统进行研究与仿真。

二、四旋翼飞行器飞行控制系统的功能和组成：1.嵌入式飞控系统：嵌入式飞控系统是飞行控制系统的核心，集成了飞行姿态估计、姿态控制和飞行模式切换等功能模块。

它通过接受传感器系统获取的飞行状态信息，计算出合适的控制指令，并通过执行器系统实施控制。

2.传感器系统：传感器系统用于获取飞行器的状态信息，如加速度、角速度、姿态等。

常用的传感器包括加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计等。

3.执行器系统：执行器系统用于根据嵌入式飞控系统计算出的控制指令来控制飞行器的运动。

常用的执行器包括电机、螺旋桨等。

4.遥控器系统：遥控器系统用于远程操控飞行器的飞行和动作。

通过遥控器系统，飞行员可以对飞行器进行起飞、降落、飞行方向和高度的调整。

三、四旋翼飞行器飞行控制系统的研究内容和方法：1.飞行姿态控制：飞行姿态控制是四旋翼飞行器飞行控制系统中的核心问题之一、该问题的研究内容包括姿态估计和姿态控制两个方面。

姿态估计：姿态估计是指通过传感器获取的飞行状态信息，推导出飞行器的姿态信息。

常见的姿态估计方法有卡尔曼滤波器和互补滤波器等。

姿态控制：姿态控制是指根据飞行器的姿态信息，计算合适的控制指令来控制飞行器的姿态。

常见的姿态控制方法有PID控制器和模型预测控制器等。

2.位置和轨迹控制：位置和轨迹控制是四旋翼飞行器飞行控制系统中的另一个重要问题。

该问题的研究内容包括位置估计和位置控制两个方面。

位置估计：位置估计是指通过传感器获取的飞行状态信息，推导出飞行器的位置信息。

常见的位置估计方法有GPS和惯性导航系统等。

位置控制：位置控制是指根据飞行器的位置信息，计算合适的控制指令来控制飞行器的位置。

四轴飞行器的建模与仿真摘要四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的多旋翼飞行器,它非常适合近地侦察、监视的任务,具有广泛的军事和民事应用前景。

本文根据对四旋翼飞行器的机架构造和动力学特性做详尽的分析和研究,在此根底上建立四旋翼飞行器的动力学模型。

四旋翼飞行器有各种的运行状态,比方:爬升、下降、悬停、滚转运动、俯仰运动、偏航运动等。

本文采用动力学模型来描述四旋翼飞行器的飞行姿态。

在上述研究和分析的根底上,进展飞行器的建模。

动力学建模是通过对飞行器的飞行原理和各种运动状态下的受力关系以及参考牛顿-欧拉模型建立的仿真模型，模型建立后在Matlab/simulink软件中进展仿真。

关键字:四旋翼飞行器,动力学模型，Matlab/simulinkModeling and Simulating for a quad-rotoraircraftABSTRACTThe quad-rotor is a VTOL multi-rotor aircraft. It is very fit for the kind of reconnaissance mission and monitoring task of near-Earth, so it can be used in a wide range of military and civilian applications. In the dissertation, the detailed analysis and research on the rack structure and dynamic characteristics of the laboratory four-rotor aircraft is showed in the dissertation. The dynamic model of the four-rotor aircraft areestablished. It also studies on the force in the four-rotor aircraft flight principles and course of the campaign to make the research and analysis. The four-rotor aircraft has many operating status, such as climbing, downing, hovering and rolling movement, pitching movement and yawing movement. The dynamic model is used to describe the four-rotor aircraft in flight in the dissertation. On the basis of the above analysis, modeling of the aircraft can be made. Dynamics modeling is to build models under the principles of flight of the aircraft and a variety of state of motion, and Newton - Euler model with reference to the four-rotor aircraft.Then the simulation is done in the software of Matlab/simulink.Keywords: Quad-rotor，The dynamic mode, Matlab/simulink目录一．引言11.1 简介11.2研究背景21.3目标和容2二．飞行器建模22.1 机体质心运动模型22.2 机体角运动模型4三．仿真与分析63.1仿真平台和参数选取63.2仿真过程83.2.1飞行器的升降运动仿真83.2.2飞行器的滚转运动仿真93.2.3飞行器的俯仰运动仿真93.2.4飞行器的偏航运动103.3 仿真结果分析11四．结论12参考文献13一．引言1.1 简介四旋翼飞行器也称为四轴飞行器，是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形穿插的飞行器，可以实现各种的运行状态,如:爬升、下降、悬停、滚转运动、俯仰运动、偏航运动等四旋翼飞行器是一种无人机，无人机和有人飞机比拟,具有体积相对较小,造价也比载人机低很多,使用非常的方便,在各种复杂的作战环境都可以进展作战等优点。

课题：四旋翼跟拍无人机一、需求分析1.背景介绍无人飞行机器人，是无人驾驶且具有一定智能的空中飞行器。

这是一种融合了计算机技术、人工智能技术、传感器技术、自动控制技术、新型材料技术、导航技术、通信技术、空气动力学与新能源技术等的综合机器人系统。

无人飞行机器人在专业术语上可咀被称作无人空中载具(Unmanned Aerial Vehicle，UA V)，广义上也可以被简称为无人机，区别于普通的无人飞机，无人飞行机器人技术目前向着高度集成化，高度自主智能化的方向发展。

无人飞行器的主要优点包括：系统制造成本低，在执行任务时人员伤害小，具有优良的操控性和灵活性等。

而旋翼式飞行器与固定翼飞行器相比，其优势还包括：飞行器起飞和降落所需空间少，在障碍物密集环境下的可控性强，以及飞行器姿态保持能力高。

近年来，一种具有四个旋Figure 1四旋翼翼的无人飞行机器人得到了极大的关注。

四旋翼飞行机器人是一种特殊的旋翼型飞行器，其四个旋翼和电机以十字形分布于机体的四个方向。

其中的微小型四旋翼无人飞行机器人更是热点中的热点，成为目前四旋翼飞行机器人研究的主要方面。

微小型四旋翼无人飞行器可以广泛应用于航空拍摄、特殊环境下的巡视侦察灾害搜救、游戏娱乐等方方面面。

将小型四旋翼应用于航拍领域正变得越来越引人关注。

在民用领域，无人机航拍正在形成一股风潮。

利用小型四旋翼搭载摄像头，对在移动（行走或骑行）中的目标人员进行自动跟拍，捕获目标人员的表情的无人机跟拍方案无疑有很大的市场。

2.需求分析为达到跟拍目的，无人机需要能够有良好的飞行能力，能够稳定的控制自身的姿态。

同时，无人机需要能够在此过程中自动的躲避一些如树枝、电线杆等障碍物。

也就是说，无人机要能够控制自己实现前后、左右、上下以及俯仰、滚转、偏航共6个基本运动。

同时在此基础上实现悬停、避障等功能。

二、系统原理1.技术方案四旋翼的结构简图如图2所示。

四个旋翼分布在十字形支架的四个顶点，依次编号为1、2、3、4。