四旋翼直升機姿態(tài)控制設(shè)計

四旋翼直升機姿態(tài)控制設(shè)計四旋翼直升機的基本工作原理

當(dāng)前旋翼和尾旋翼順時針旋轉(zhuǎn)，左旋翼和右旋翼逆時針旋轉(zhuǎn)，并且四個旋翼轉(zhuǎn)速一致，產(chǎn)生的升力之和等于直升機自重時，直升機可以實現(xiàn)靜態(tài)懸停。如果產(chǎn)生的升力同時增加和減少，那么四旋翼直升機可以實現(xiàn)上升或者下降。當(dāng)前旋翼和尾旋翼加速且左旋翼和右旋翼減速，同時四個旋翼產(chǎn)生的升力和直升機自重相等時，由于存在扭矩差，可導(dǎo)致直升機的偏航運動。當(dāng)前旋翼加速，尾旋翼減速而左旋翼和右旋翼的旋轉(zhuǎn)速度保持不變時，四旋翼直升機可以實現(xiàn)X軸的滾轉(zhuǎn)運動，即俯仰運動。同理，也可實現(xiàn)Y軸的滾轉(zhuǎn)運動，即滾轉(zhuǎn)運動。

飛行器姿態(tài)控制控制設(shè)計

parametermglbkValue0.4689.810.225unitsKgm四旋翼直升機設(shè)計的參數(shù)如下：選擇參考信號為0度，利用所設(shè)計的姿態(tài)控制律進(jìn)行仿真控制：（1）姿態(tài)角經(jīng)觀察，當(dāng)在t=9.1s的時刻，三個角度趨于穩(wěn)定，接近0度。（2）姿態(tài)角速度：分析：姿態(tài)角速度，基本在t=1.7s趨于穩(wěn)定。（3）姿態(tài)角加速度分析：由加速度的動態(tài)變化圖分析，三個姿態(tài)角的加速度幾乎迅速趨于0，穩(wěn)定性好，但是在初始處出現(xiàn)突變峰值。(1)姿態(tài)角分析：當(dāng)在t=8.2s的時刻，三個角度趨于穩(wěn)定，接近0.3rad，且變化同步。與0階躍的連續(xù)信號相比，趨于穩(wěn)定的時間變短，但峰值變化相比較大。選擇俯仰角，橫滾角和偏航角的參考信號為幅度20度的階躍信號（2）姿態(tài)角速度分析：當(dāng)在t=1.7s的時刻，三個角度趨于穩(wěn)定，接近0度?？梢钥闯?，趨于穩(wěn)定的速度與參考信號為0幅值的信號相比，幾乎一樣。但是在初始階段會出現(xiàn)突變峰值。（3）姿態(tài)角加速度分析：三個姿態(tài)角在大約0.5s的時刻，會出現(xiàn)一個峰值，這是極不穩(wěn)定的情況，要盡量避免此類峰值。（1）姿態(tài)角分析：輸入?yún)⒖夹盘枮榉?0°的正弦信號，由角度信號知,大約在t=3.2s時刻，輸出角度跟蹤上了輸入?yún)⒖夹盘?。但是相位角不同步。選擇俯仰角，橫滾角和偏航角的參考信號為幅度20度的正弦參考信號（2）姿態(tài)角速度分析：在接近0°的時刻，三個姿態(tài)角均出現(xiàn)幅值大幅度變化的情況。但是只在t=0一瞬間，可以忽略。隨后，在t=1.2s左右，達(dá)到穩(wěn)定，但是相位不同步。（3）姿態(tài)角加速度分析：由角加速度的時序圖得知，在t=0s的瞬間，存在一個幅度較大的脈沖信號，之后很快趨于0.

根據(jù)系統(tǒng)輸出的每個時刻飛行器的角度，角速度，角度跟蹤誤差，控制輸入繪制二維曲線圖。

(1)姿態(tài)角分析:通過比較[1][2]，得出，在增大幅值，改變相角后，對飛行角度的影響沒有質(zhì)上的差距，僅僅是相應(yīng)的幅值增大，相角改變。通過比較[2][3]得出，姿態(tài)角趨于穩(wěn)定的時間不同，對比知，幅值為20度的階躍信號趨于穩(wěn)定的速度比正弦信號慢。（2）姿態(tài)角速度通過比較[1][2]，知參考信號的幅值和相位改變之后，角速度僅僅是相應(yīng)相位和幅值上產(chǎn)生變化，在其他量上沒有發(fā)生變化。通過比較[2][3]，得出，階躍信號會出現(xiàn)不穩(wěn)定的突變峰值，這對飛行器的控制可能會產(chǎn)生一定影響。(3)控制輸入：分析：由[1][2]可以得出，w1,w3在趨于穩(wěn)定時均有周期性的波動，并且隨著參考信號幅值的減小波動相應(yīng)的減小。w2,w4則穩(wěn)定性良好，沒有波動，且w1,w2波動的周期一致，另外，w1,w3,w4的幅值在一個水平線上波動，而w2始終在0值附近波動。(4)角度跟蹤誤差：分析:姿態(tài)角跟蹤，即angle(有動力學(xué)結(jié)構(gòu)控制的三個姿態(tài)角)-r(參考信號的三個姿態(tài)角),由時序圖[1][2]知，均在經(jīng)過大約3s時，姿態(tài)跟蹤趨于正常。通過[2][3]比較知，姿態(tài)角的跟蹤實現(xiàn)同步的時間幾乎均為3s。但是對于參考信號為20度的階躍信號，在初始階段，有峰值出現(xiàn)，正弦信號相對峰值較小。因此，綜上所述，在運用多回路方法控制飛行器的三個姿態(tài)角時，在初始階段，容易出現(xiàn)突變峰值，但是，綜合比較，選用參考信號為正弦信號產(chǎn)生的尖峰更小相比于階躍信號。因此，為了避免此類峰值出現(xiàn)，最好選用正弦信號；另外，三個姿態(tài)角在角度，角速度的變化情況上，基本上與參考信號變化成正比。通過這門課程設(shè)計，讓我們學(xué)會了根據(jù)設(shè)計要求開展設(shè)計工作，能聯(lián)系實際深入掌握關(guān)于飛行器控制設(shè)計專業(yè)的理論專業(yè)知識，培養(yǎng)了我們綜合運用所學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程的知識分析和獨立解決實際問題的能力。通過專業(yè)課程設(shè)計是我們