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1、,四旋翼无人机,动力学模型建立,目录,一、无人机介绍及其原理,二、无人机动力学模型,1,2,一、无人机介绍及其原理, Image information in product 实物图ed to be used within this PowerPoint template only. You may not extract the image for any other use.,四旋翼无人机,Text in here,1、旋翼对称分布2、电机1.3与电机1.4的旋转方向相反，用于平衡反扭矩。,1.结构形式,四旋翼无人机结构形式图,Text in here,2、工作原理,（1）飞行器通过调节四
2、个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。（2）只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。,（a）垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，拉力增大，上升，反之同时减小而下降。（b）俯仰运动：电机 1的转速增加，电机 3 的转速下降（改变量大小应相等），电机 2、4 的转速保持不变，绕y轴顺时针转动，同理绕y轴逆时针转动。,Text in here,（c）滚转运动：与图 b 俯仰运动，在图 c 中，改变电机 2、4的转速，保持电机1、3的转速不变，则可使机身绕 x 轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。 （d）偏航运动：旋翼转动过程中由于空气
3、阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的一个对角两个正转，另一对角两个反转。,Text in here,（e）前后运动：电机3转速增加，使拉力增大，相应电机1转速减小，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。（f）倾向运动：侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样。,Text in here,二、无人机动力学模型,1.模型假设,（1）无人机是刚体且对称。（2）地面坐标系为惯性坐标系， 重力加速度不随飞 行高度的变化而变化。（3）不计地球自转和公转运动的影响。（4） 4个螺旋桨轴与 Z 轴平行排列。（5）机体坐标系原点与质心一致。（6）忽略空
4、气阻力。,Text in here,2.建模过程,（1）四个螺旋桨轴与Z轴平行排列，升力分别为,（2）地面坐标系E(OXYZ)，机身坐标系B(oxyz)，定义了3个欧拉角: 横滚角，俯仰角和偏航角，分别表示机体绕 x，y，z 轴旋转到 X，Y，Z 轴的角度，这3个角构成飞行器的姿态角，如下图。,Text in here,从上中可以得到机体坐标系到地面坐标系每个轴的转换矩阵。,Text in here,此时机体坐标系 B 到地面坐标系 E 的转换矩阵为:,将式(1)(3)代入式(4)中可得到式(5),在机体坐标系下，飞行器的受力为:,Text in here,将坐标转换矩阵(5)代入，可得到在地面坐标系中飞行器的受力,在地面坐标系下，飞行器的质心运动方程为,Text in here,对于飞行器的角位移运动方程，采用拉格朗日力学方法来推导,飞行器的动能表示为,飞行器的势能表示为,Text in here,由 Lagrange 方程，有 L = T V，取广义坐标,其对应的广义力为:,分别代入到 Lagrange 方程中，可得飞行器的角位移运动方程,Text in here,定义四旋翼飞行器子系统的 4 个输入量为,将式(8)和(11)结合起来，可得到飞行器的动力学模型,Text in here,谢谢,
