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1、四旋翼飞行器动态系统建模仿真实验报告 院（系）称 学生姓名 学生学号 指导教师2010年12月18日1. 实验目的通过在Matlab环境中对四旋翼飞行器进行系统建模，掌握四旋翼飞行器的建模和控制方法和在Matlab下快速建立虚拟可视化环境的方法。2. 实验设备（1）硬件：PC机。（2）工具软件：操作系统：Windows系列；软件工具：MATLAB及simulink。3. 实验原理及实验要求3.1实验原理 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 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
2、飞行姿态控制。 图1四旋翼飞行器旋转方向示意图在图 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。四旋翼飞行器受力分析,如图 2 所示，旋翼机体所受外力和力矩为： 图2四旋翼飞行器受力分析示意图旋翼机体所受外力和力矩为： 重力mg , 机
3、体受到重力沿方向； 四个旋翼旋转所产生的升力 (i= 1 , 2 , 3 , 4)，旋翼升力沿方向； 旋翼旋转会产生扭转力矩 (i= 1 , 2 , 3 , 4)。垂直于叶片的旋翼平面，与旋转矢量相反。按照图3所示的控制回路对飞机的运动状态进行控制，控制回路包括内外两层。图3包含内外两个控制回路的控制结构3.2实验要求（1） 基于 Simulink 建立四旋翼飞行器的悬停控制回路，实现飞行器的悬停控制； （2） 建立GUI界面，能够输入参数并绘制运动轨迹； （3） 基于VR Toolbox建立3D动画场景，能够模拟飞行器的运动轨迹（不要求模拟螺旋桨的转动）。 4. 实验方法及步骤（1） 根据控
4、制回路的结构建立simulink模型（如图4）；（2） 为了便于对控制回路进行参数调整，利用Matlab软件为四旋翼飞行器创建GUI参数界面（如图5）；（3） 利用Matlab的VR Toolbox建立四旋翼飞行器的动画场景（如图6）.图4控制回路Simulink模型图5四旋翼飞行器参数调整GUI界面图6四旋翼飞行器动画场景5. 软件设计（框图）对GUI界面调用Callback函数进行设计，保证用户在单击GUI界面中的对象后能够执行对应的操作，实现对四旋翼飞行器参数的调整和动作仿真。程序代码见电子版附件。6. 实验结果及分析分别使用默认参数和输入新的参数进行四旋翼飞行器运动进行了仿真模拟，可以
5、看出仿真结果和动画场景相吻合。图7使用默认参数GUI界面的仿真结果图8使用默认参数虚拟现实场景图9改变期望位置后的GUI界面仿真结果7. 实验总结此次MATLAB实验综合了SIMULINK、GUI和VR场景等多个部分，对四旋翼飞行器运动进行了仿真模拟，实验结果证明绘图和VR场景与预期结果皆吻合，说明整体实验系统是准确的。8. 实验心得在实验之前我对四旋翼飞行器有过一些了解，但并未思考过具体模型的建立和运动控制的分析，借助此次实验，对四旋翼飞行器的受力分析、模型建立、控制回路设计等有了较为细致的了解。作为一个非常经典的控制模型，我认为了解四旋翼飞行器的设计过程和理解其中细节对以后学习研究中数学模型的建立是十分有帮助的，这是此次实验的最大收获。此外，还对GUI和VR场景进行了学习，Matlab提供了强大的用户图形界面，以帮助用户不必编写底层程序而直接在软件包基础上进行自行开发，这点在诸多软件中都有所体现。现存的问题是目前的VR场景在用户视图上并没有标定原点及显示坐标系的相关设计，所以无法直观看出飞行器移动的具体轨迹，这点还需进一步完善。
