四旋翼飞行器飞行轨迹的仿真研究

四旋翼飞行器是一种体型较小、无人驾驶，能够在空中实现自主飞行并能完成一些既定动作及任务的飞行器，近年来四旋翼飞行器越来越受到国际的关注。国际上已将四旋翼飞行器应用在军用、民用等领域，都取得了不错的成就，但是国内的研究相对较少，仍处于起步阶段。

研究四旋翼飞行器的首要任务就是研究它是如何飞行的，即进行动力学分析。首先研究飞行器在空中如何受力飞行，如何根据电机转速来控制飞行姿态。将飞行器在空中的几种飞行姿态分析清楚这是研究四旋翼飞行器的首要任务。为了实现对四旋翼飞行器的有效控制，必须在准确建立了各种飞行状态下的数学模型的基础上。论文对飞行控制算法进¢行了详细的研究，分析和设计了角度和位置系统PID控制算法，最后通过MATLAB仿真验证PID控制算法的可行性。

1.飞行器动力学分析及建模

1.1 坐标系的建立。四旋翼飞行器飞行参数必须在坐标系下才能进行描述。对于飞行器来说常用的坐标系有大地坐标系和机体坐标系。四旋翼飞行器的飞行参数主要是用来控制飞行器的稳定飞行工作，因此选取适当的坐标系可以对此研究有很大的帮助。机体坐标系是用来描述飞行器的飞行姿态的，而大地坐标系是用来描述飞行器在飞行环境中的位置。

1.2 飞行器飞行状态。四旋翼飞行器在飞行空间中有6个自由度，飞行器的飞行运动表现为上升或下降、空中悬停、滚转、俯仰、偏航这五种运动形式。上升或下降：要想实现四旋翼飞行器在垂直方向上的上升即同时增加四个电机的转速即可。当电机的转速增加时，旋翼的转速随之增加，这样飞行器的升力将大于重力即为Fmg，这样飞行器อ就可以垂直上升了。悬停状态：升力等于重力F=mg时，飞行器在空中保持平衡，静止在某一高度。滚转状态：机身的左旋翼转速增加，同时右旋翼的转น速减小，其余旋翼的转速保持不变，这样机身将沿X轴方向倾斜，产生的倾斜角即为滚转角。俯仰状态：机身的前旋翼的转速增加，或者后旋翼的转速减小，其余旋翼的转速保持不变，这样机身将沿Y轴方向倾斜，产生的倾斜角即为俯仰角。偏航状态：当四旋翼飞行器的前后电机转速同时增加，左右两个电机转速同时减小时，飞行器就处于偏航状态。

1.3 四旋翼飞行器的建模。在一般情况下，控制器的分析和设计都需要将实际的系统先抽象成数学模型，先在理论上对模型进行研究和设计。用一些能够尽量简单而全面的表达式来体现实际系统的各项性能，我们将在这个系统上面对控制器进行设计和分析。四旋翼飞行器的建模工作主要分为两个部分，第一部分是飞行器的力学建模，第二部分是飞行器的运动学建模。

2.结论

本文ฎ先是对四旋翼飞行器进行了动力学分析，分析了飞行器的受力情况和飞行器的五种飞行状态。在此基础上完成了飞行器的♀力学建模和运动学建模，得到了飞行器的非线性模型。接着分析研究了采用PID控制算法进行角度和位置控制，还研究了积分分离的PID控制算法。最后搭建了MATLAB/simulink仿真平台，验证了PID控制效果。在后续的研究中，将深入讨论空气动力学问题，建立更为精确的模型使之与实际环境更接近。同时在MATLAB/Simulink建立的控制系统中加入智能控制模块，使四旋翼飞行器的角度控制更快速，更精确，更稳定。