四旋翼飞行器建模与仿真Matlab

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。

译文：四旋翼飞行器的建模与控制摘要迄今为止，大多数四旋翼空中机器人取材于飞行玩具。

虽然这样的系统可以作为原型，但是它们是还没有健全到能够服务于所有实验机器人平台。

我们已经开发出了X‐4，采用定制底盘和带有现成的电机和电池航空电子设备，是一个高度可靠的实验平台。

这个飞行器使用嵌入式姿态动力学控制器以稳定飞行。

被用来调节飞行器的姿态的控制器是一个线性的单输入单输出系统。

1 介绍直升机的一个主要难点是为了可靠的飞行，飞行器需要广泛的，和昂贵的维修费用。

无人驾驶航空飞行器（无人机）和微型飞行（MAV）也不例外。

简化飞行器的机械结构能够方便操控这些飞行器。

四旋翼是一种强大且简单的直升机，因为他们没有传统旋翼飞行器的复杂旋转倾转盘和联系。

多数四转子飞行器是根据遥控玩具的组件构建而成的。

因此，这些缺少必要的可靠性和性能的飞行器是不可能成为是切实可行的实验平台的。

1.1 目前的四旋翼平台最近几个四转子工艺已被开发用于制作玩具或进行研究。

因为市场的需求，许多关于四旋翼的研究开始了，如HMX2‐4 和Rctoys 的Draganflyer。

一成不变的，这些由塑料电机组成的飞行器的机身都带灯光。

它们是由镍镉电池或锂聚合物电池供电，并且使用基于速度反馈的mems陀螺仪。

这些四旋翼一般没有稳定的稳态。

自动稳定及使用各种硬件和控制方案被用于研究四旋翼。

例如，CSIRO的四旋翼飞行器，是一个Draganflyer的衍生物，它使用视觉伺服和惯性测量单元（IMU）来使飞行器稳定在一个固定的点上。

其他的四旋翼，包括Eidgenossische Technische Hochschule Zurich的‘OS4’，一个带有低纵横比的叶片的带传动的飞行器; CEA 的“X4‐flyer'1，一个带有四个电机和叶片的四旋翼]。

还有康奈尔大学的自治飞行器，一个采用的飞机螺旋桨的大型飞行器。

澳大利亚国立大学（ANU）的X‐4四旋翼微型飞行器旨在解决小型无人机面对的的问题。

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。