四旋翼无人机建模概要

四旋翼飞行器动力学建模与控制技术研究随着无人机技术的不断发展，四旋翼飞行器已经成为了无人机市场中的一种重要机型。

四旋翼飞行器由于其体积小、操作灵活、便携性强等特点，被广泛应用于农业、地质勘探、安防、航拍等领域。

然而，四旋翼飞行器的稳定性及控制问题一直是制约其广泛应用的关键性技术之一。

因此，本文将探究四旋翼飞行器动力学建模及控制技术的研究现状和趋势。

一、四旋翼飞行器动力学建模四旋翼飞行器的动力学模型一般包括四个方程，分别是运动学方程、动力学方程、气动平衡方程以及电机方程。

首先，运动学方程是描述四旋翼飞行器在空间的运动轨迹和姿态的方程。

这个方程组包括七个微分方程，包括三个表示位置的方程和四个表示姿态的方程。

位置方程描述飞行器在三个自由度上的运动，姿态方程描述飞行器在三个方向上的旋转。

接下来，动力学方程主要描述四旋翼飞行器的运动和状态方程。

四旋翼飞行器的动力学方程主要包括牛顿定律、欧拉定理、动量定理和角动量定理。

气动平衡方程则描述了四旋翼飞行器在空气中的运动状态。

这个方程组包括六个方程，其中四个方程描述四个电机的输出，两个方程描述飞行器的速度和角速度。

电机方程则描述了四个电机的动力输出。

这个方程通常采用电机的转矩和输出功率来进行建模，用来计算四旋翼飞行器的运动状态。

二、四旋翼飞行器控制技术四旋翼飞行器的控制技术是保障其稳定飞行的关键之一。

控制技术的核心是设计合理的控制算法和系统结构，通过对飞行器的状态进行控制，以达到预定的控制目标。

其中，传统的PID控制算法无法适应四旋翼飞行器的高自由度、快速响应的特点。

针对这个问题，目前研究较多的是基于模型预测控制（MPC）和切换控制的方法。

MPC将控制问题视为一个优化问题，通过对未来状态进行预测，优化当前状态，从而实现系统控制。

而切换控制则通过将控制问题分成多个子空间，通过切换不同的控制子空间，实现系统控制。

同时，四旋翼飞行器的控制技术也离不开传感技术的支撑。

四旋翼飞行器需要准确地获取各种姿态、位置、速度等信息才能进行控制。

四旋翼无人机设计四旋翼无人机（Quadcopter）是一种由四个电动马达驱动的无人机，通过分别控制每个马达的转速和方向来实现悬停、飞行和转弯等动作。

四旋翼无人机在农业、电力巡检、安防监控以及航拍等领域有着广泛的应用。

下面将详细介绍四旋翼无人机的设计要点和主要部件。

在结构设计方面，四旋翼无人机的主要部件包括机架、电机、螺旋桨、电调和飞控。

机架通常采用轻质材料（如碳纤维）制成，具有重量轻、刚性强和抗冲击能力好的特点。

电机负责驱动螺旋桨旋转，通常使用无刷电机，其转速和电流特性需要与电调相匹配。

螺旋桨是产生升力的关键部件，选择合适长度和材质的螺旋桨可以提高飞行效率和稳定性。

电调则负责控制电机的转速和方向，将飞控发送的控制信号转化为电机的控制信号。

飞行控制系统设计则是四旋翼无人机最核心的部分。

飞控是指通过传感器、信号处理芯片和控制算法等组成的电子设备，用于检测和响应无人机的姿态、位置和运动状态。

常见的飞控系统有飞行控制器（Flight Controller）和惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称IMU）。

飞行控制器是无人机的“大脑”，负责接收遥控器、GPS和其他传感器的信号，并发送控制指令给电机和电调。

IMU包括加速度计和陀螺仪，用于测量无人机的加速度和角速度，从而实现对姿态和运动的控制。

载荷系统设计根据应用需求而定，可以包括相机、传感器和机械臂等。

载荷系统需要与飞行控制系统进行数据交互，并能够通过控制指令实现相应的操作。

总之，四旋翼无人机的设计需要考虑结构、电力、飞行控制和载荷系统等多个方面。

合理选择和设计各个部件，同时优化飞行控制算法和传感器配置，可以提高无人机的性能和稳定性，实现更多的功能和应用。

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。

四旋翼无人机设计四旋翼自主飞行器是一种能够垂直起降、多旋翼式的飞行器，其通过自带电源驱动电机来提供动力。

它在总体布局上属于非共轴式碟形飞行器，与常规旋翼式飞行器相比，因其四只旋翼可相互抵消反扭力矩的优点，而不需要专门的反扭矩桨从而使其结构更为紧凑，能够产生更大的升力。

同时又因其具有灵活性高、要求的飞行空间小、能源利用率高、隐蔽性强以及安全性能高等优势，特别适合在近地面环境（如室内、城区和丛林等）中执行监视、侦查等任务，其在军事（电子战）和民用（通信、气象、灾害监测）方面都有很大的应用前景。

另外，新颖的外形、简单的结构、低廉的成本、卓越的性能及独特的飞行控制方式（通过控制四只旋翼的转速实现飞行控制）使其对广大科研人员具有很强的吸引力，成为国际上新的研究热点。

四旋翼飞行器按照四只旋翼和机架布置的方式其飞行控制平台（机架）可以分为十字模式和X模式。

X模式比十字模式灵活，但是对于姿态测量和控制的算法编程来说，十字模式较X模式简单，更容易实现。

X模式通过同时控制两对旋翼转速的大小来实现飞行控制及姿态的调整，而十字模式只要同时控制一对旋翼的转速就能实现相应的飞行动作。

十字模式容易操作，飞行平稳，综合考虑采用十字模式。

四旋翼自主飞行器是由安装在十字型刚性结构的四个电机作为驱动的飞行器。

控制器通过调节四个电机的转速使四个旋翼间出现特定的转速差从而实现飞行器的各种动作。

由于四旋翼自主飞行器是通过增大或减小四只旋翼的转速达到四个方向升力的变化进而控制飞行器的飞行姿态和位置的稳定，相对于传统的直升机少去了舵机调节平衡、控制方向，并且不用改变螺旋桨的桨距角，使得四旋翼自主飞行器更容易控制。

但是四旋翼自主飞行器有六个状态输出，即是一种六自由度的飞行器，而它却只有四个输入，是一个欠驱动系统。

也正是由于这个原因使得四旋翼自主飞行器非常适合在静态及准静态的条件下飞行。

四旋翼自主飞行器飞行控制系统由飞行控制器、各类测量传感器装置、驱动电机、被控对象（飞行器机体）等部分组成，如图1。

四旋翼动力学建模一、引言四旋翼无人机是近年来飞行器领域的热门话题，其广泛应用于农业、环保、安全监控等领域。

为了更好地掌握四旋翼的运动规律，需要对其进行建模分析。

本文将介绍四旋翼动力学建模的基本原理和方法。

二、四旋翼结构和工作原理1. 四旋翼结构四旋翼主要由机身、电机、螺旋桨和控制系统等组成。

其中，机身是支撑整个飞行器的主体部分，电机驱动螺旋桨产生升力，控制系统负责调节电机转速和方向。

2. 四旋翼工作原理四旋翼通过调节各个螺旋桨的转速和方向来实现飞行姿态调整和位置控制。

当四个螺旋桨转速相等时，飞行器保持平衡状态；当某一侧或某一角度需要调整时，相应螺旋桨的转速会发生变化以产生所需的力矩。

三、四旋翼运动学建模1. 坐标系选择在进行运动学建模时，需要选择合适的坐标系。

通常选择惯性坐标系和机体坐标系。

惯性坐标系是固定不动的，用于描述四旋翼在空间中的位置和速度；机体坐标系则随着四旋翼运动而改变，用于描述其姿态。

2. 姿态表示四旋翼的姿态通常用欧拉角表示。

欧拉角包括滚转角、俯仰角和偏航角，分别表示飞行器绕x、y、z轴旋转的角度。

3. 运动方程根据牛顿第二定律和欧拉定理，可以得到四旋翼的运动方程。

其中，力和力矩来自于螺旋桨产生的升力和扭矩，阻力主要来自于空气阻力和重力。

四、四旋翼动力学建模1. 动力学方程四旋翼的动力学方程可以通过牛顿第二定律和欧拉定理推导得到。

其中，电机输出扭矩与电机转速成正比；螺旋桨产生升力与螺旋桨转速的平方成正比。

2. 状态空间模型将四旋翼的动力学方程转化为状态空间模型可以方便地进行控制设计和仿真分析。

状态空间模型包括状态向量、输入向量和输出向量，其中状态向量包括四旋翼的位置、速度和姿态等状态变量。

3. 控制系统设计四旋翼的控制系统通常采用PID控制器。

PID控制器由比例、积分和微分三个部分组成，用于调节电机转速和方向以实现飞行姿态调整和位置控制。

五、结论本文介绍了四旋翼动力学建模的基本原理和方法。

最高效的四旋翼无人机数据采集建模一、简介近年来，微小型四翼无人机已经成为了无人飞行器研究领域的一个热点。

它结构简单、机动性强、便于维护，能够在空中悬停、垂直起飞和降落。

在军用和民用方面具有较大的潜在应用价值，国内外许多研究单位纷纷致力于四旋翼无人机飞行控制的架构设计与飞行控制研究，以实现四旋翼无人机的自主飞行。

机载传感器系统是四旋翼无人机飞行控制系统的重要组成部分，它为机载控制系统提供可靠的飞行状态信息，是实现四旋翼无人机自主飞行的重要设备。

现在无人机应用最广的是倾斜摄影技术优势或者说最吸引用户的，就是利用倾斜摄影技术可以全自动、高效率、高精度、高精细的构建地表全要素三维模型。

二、四旋翼无人机特点1、机动性能灵活，低空性能出色。

能在城市、森林等复杂环境下完成各种任务。

可完成空中悬停监视侦查。

实现对动力要地低，能在狭小空间穿行，能垂直起降，对起降环境要求低。

2、对动力要求较小，产生的噪音低，隐蔽性能高，安全性能出色。

四旋翼无人机采用四个马达提供动力，可使飞行更加稳定和精确。

3、结构简单，运行、控制原理相对容易掌握。

4、成本较低，零件容易更换，维护方便。

三、飞行软件目前无人机种类繁多，针对无人机开发的飞控软件也有很多，目前比较好用的是DJI GS Pro、DJI GO4、Litchi Vue、Pix4d等。

四、数据采集，使用DJI GS pro1、打开DJI GS pro软件，点击新建任务2、点击测绘航拍区域模式3、点击地图选点（飞行定点比较耗飞机电量，无特殊情况建议不使用）4、点击屏幕就会出现一个航测区域，手动拖拽四个定点可以改变航测的面积和形状，同时也可以手动增加拐点，让航测面积更加的灵活多样。

并且在右边的菜单栏里选择好对应的云台相机；设置好任务的高度，任务的高度和拍摄的清晰度，成图的分辨率有很大的关系；大面积的时候尽量选择等时间拍照，因为能上传的航点是有限的。

5、点击进入右侧菜单的高级选项之中，重新设置一下航测的重叠了，一般航向和旁向重叠率是700%和70%（最好不要低于70%）；设置好云台俯仰角，正射影像图一般为-90°，拍摄3D立体时一般为-45°；设置好返航高度，确保返航时不会碰撞到障碍物。

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。

四翼飞行器动力学分析与建模1.引言四轴飞行器，又称四旋翼飞行器、四旋翼直升机，简称四轴、四旋翼。

这四轴飞行器(Quadrotor)是一种多旋翼飞行器。

四轴飞行器的四个螺旋桨都是电机直连的简单机构，十字形的布局允许飞行器通过改变电机转速获得旋转机身的力，从而调整自身姿态。

因为它固有的复杂性，历史上从未有大型的商用四轴飞行器。

近年来得益于微机电控制技术的发展，稳定的四轴飞行器得到了广泛的关注，应用前景十分可观。

本章通过分析四旋翼直升机的动力学机制，运用已知的物理定律和方程来建立表征系统动态过程的数学模型。

2.四旋翼飞行器简介2.1四旋翼飞行器结构四旋翼直升机主体构成有：产生升力的四个旋翼、飞行控制设备及其支撑旋翼的机身。

有时为了保护飞行器，避免旋翼的损坏，特别装设了保护架。

其中，每个旋翼包括直流电机、翼翅及连接件等部分。

如下图所示：2.2四旋翼飞行器飞行原理四旋翼直升机与传统的直升机相比，有着自己独特的地方。

它的四个呈十字平均分布的旋翼取代了传统的单独的旋翼，对机身产生单独的力和力矩。

四旋翼直升机通过改变旋翼转速来控制飞行器的姿态，且四个旋翼的动态特性高度耦合。

3.四旋翼飞行器动力学方程3.1坐标描述及其转换关系飞机的姿态角、飞行速度的大小和方向等参数总是和坐标系联系在一起的，要确切地描述飞机的运动状态，就要先建立适当的坐标系。

下面定义几种坐标系，并分析各坐标之间的相互转换关系：(1)地面坐标系E （OXYZ ）地面坐标系用语研究飞机相对于地面的运动，确定飞机在空间的位置坐标X 、Y 、Z ，从而方便研究飞机的姿态、航向以及飞机相对起飞点的空间位置。

该坐标系原点固定于地面上飞机的起飞点，OX 轴指向飞机制定的飞行方向，OZ 轴垂直水平面向上，OY 轴垂直OXZ 平面。

(2)机体坐标系B （Oxyz ）机体坐标系固定在机体上，原点设在飞机重心，纵轴Ox 平行于前后旋翼的连线，指向前方为正方向，竖轴Oz 平行于左右旋翼的连线，指向右方为正方向；轴Oy 与轴Ox 、Oz 所在平面垂直，并与轴Ox 、轴Oz 组成右手坐标系。

四旋翼飞行器动力学建模与控制算法研究近年来，四旋翼飞行器作为无人机的重要代表之一，广泛应用于军事、民用、科研等领域。

然而，在实际飞行过程中，四旋翼飞行器面临着许多挑战，例如飞行姿态控制、动力系统建模等。

因此，对四旋翼飞行器动力学建模与控制算法的研究显得尤为重要。

动力学建模是研究四旋翼飞行器运动规律的基础，对于设计控制算法、评估飞行性能以及进行仿真分析都具有至关重要的作用。

四旋翼飞行器的动力学建模可分为刚体动力学模型和气动动力学模型两个方面。

刚体动力学模型主要研究四旋翼飞行器的运动学和动力学特性，以推导出系统的运动学和动力学方程。

在刚体动力学模型中，通过运用牛顿力学和欧拉动力学原理，可以得到四旋翼飞行器的平衡方程和运动方程，并根据这些方程建立数学模型。

其中包括姿态运动方程、线性速度运动方程和角速度运动方程等。

这些模型可以帮助我们理解四旋翼飞行器的运动规律，为后续的控制算法设计提供理论基础。

气动动力学模型主要研究四旋翼飞行器在空气中的运动规律，以考虑气动力对飞行器的影响。

此模型基于气动原理和涡格林公式，揭示了四旋翼飞行器在不同外部环境中所受到的空气动力学效应。

气动动力学模型对于飞行器的稳定性和控制精度有着重要的影响，尤其是在风速较高、空气动力学参数变化较大的环境中。

控制算法是指在建立动力学模型的基础上，设计控制器来使四旋翼飞行器达到期望的姿态、位置或轨迹。

常见的控制算法包括PID控制器、模型预测控制器、自适应控制器等。

PID 控制器是一种经典的控制算法，通过调节比例、积分和微分项的权重来调节系统的稳定性和响应速度。

模型预测控制器可以通过预测飞行器未来的运动轨迹来优化控制信号。

自适应控制器则可以根据系统的动态特性自动调整控制参数进行控制。

这些控制算法可以在不同的应用场景中为飞行器提供精确的姿态控制和位置控制。

在四旋翼飞行器动力学建模与控制算法研究中，还有一些重要问题需要关注。

首先，由于四旋翼飞行器的动力学模型非线性复杂，因此需要采用适当的数值方法或仿真工具对模型进行求解和验证。

四旋翼无人机四元数姿态运动学模型推导你知道四旋翼无人机吧，没错，就是那种能在空中像小鸟一样飞来飞去的黑科技玩意儿。

说起来，它们也不简单，动不动就能飞得又高又稳，甚至能在风中原地打转，这背后可有不少的技术含量。

今天咱们就聊聊其中一个特别有意思的话题——四元数姿态运动学模型。

你别急，别听名字吓到，咱们一点一点地拆开说，肯定不难理解的。

咱们先从四旋翼无人机的“姿态”说起。

姿态这个词，听起来有点像是古人教子女的“坐有坐相，站有站相”那样讲究，但其实它指的就是无人机在三维空间里的朝向。

无人机的姿态决定了它飞得是不是稳，飞得是不是舒服。

你看，飞机飞行时，也得时刻控制好自己的姿态，否则你能想象它不小心翻车、掉头撞山吗？四旋翼无人机就是靠着精密的控制算法来保持稳定飞行，四元数姿态模型就是其中的秘密武器。

说到四元数，咱们得先打个比方。

想象一下，如果要描述一个物体的旋转，最简单的方式就是给它指定一个旋转轴，然后告诉你旋转了多少角度。

这就好比你在地上用绳子做个圆圈，然后在圆圈上绕一圈。

这是最简单的二维旋转模型，大家可能也学过。

可是，到了三维空间，事情就复杂多了。

三维旋转没有固定的“平面”来进行描述，所以你可以绕着任何轴旋转，角度也是变化无常的。

这时候，如果还是用传统的“欧拉角”来描述，可能就会遇到一些麻烦，什么万向节死锁啊，计算不精确啊，想想都头大。

为了避免这些问题，四元数就成了大救星。

四元数这玩意儿，乍一听可能很难理解，但其实它就是通过四个数来表示空间中的旋转。

你可以把四元数看作是一个特殊的四维向量，它包含了一个标量和三个向量成分。

这四个数联合起来，能帮助咱们精确地描述任何空间旋转。

这时候，问题就变得简单了。

用四元数，咱们就能避免“万向节死锁”那种讨厌的情况，计算也比欧拉角更高效，真的是好处多多。

你可能会问，四元数怎么应用到四旋翼无人机上？咱们继续往下看。

四旋翼的“姿态”变化其实是通过它四个旋翼的转速来调节的，每个旋翼的转速不同，能产生不同的升力和扭矩。