小型四旋翼直升机的建模与仿真控制

第２７卷第７期

文章编号：１００６—９３４８（２０１０）０７—００１８—０３

计算机仿真

２０１０年７月

小型四旋翼直升机的建模与仿真控制

刘志军，吕

强，王东来

（装甲兵工程学院控制工程系，北京１０００７２）

摘要：针对实现对小型四旋翼直升机的飞行控制，为提高飞行性能和加强稳定性，根据四旋翼直升机特有的机械结构和飞行

原理，利用牛顿一欧拉方程建立了小型四旋翼直升机的飞行动力学数学模型，而且对该型进行了合理的简化。同时在Ｍａｔ—

ｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真环境下，采用直升机动力学模型搭建ｒ模块化、层次化的系统仿真图，并通过ＰＩＤ控制算法对直升机悬停状态进行仿真，实现了直升机姿态控制。仿真结果表明在具有小扰动的条件下，模型能够仿真小型四旋翼直升机的飞行状态，满足直升机飞行姿态的控制要求。关键词：四旋翼直升机；模型；简化；仿真中图分类号：ＴＰ２７３

文献标识码：Ａ

Ｍｏｄｅｌｉｎｇ

ＡｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＯｆ

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ｃｏｎｔｒ０１．

ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｑｕａｄｒｏｔｏｒ；Ｍｏｄｅｌ；Ｓｉｍｐｌｉｆｙ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ｌ引言

近年来，随着微电子、微机械技术和计算机技术的不断

发展，对微型、小型飞行器的控制也得以实现。由于其具有

四旋翼直升机同时也是一种具有多变量、非线性、强耦

合等特性的不稳定系统。为了能实现对四旋翼直升机的飞

行控制，并节省开发时间和节省研制费用，首先需要对直升机进行建模和仿真。由于悬停模式是直升机最基本、最关键的飞行模式，本文主要讨论了悬停状态下四旋翼直升机的数

体积小、重量轻、成本低的飞行平台优势，且其操纵控制方便、机动灵活、噪音小、隐蔽性好，无论是在军事领域还是在

民用领域，都具有十分广阔的应用前景。因此微型、小型飞行器得到国内外很多学者和机构的关注和研究。

小型四旋翼直升机是一种具有六个自由度和四个输入的欠驱动系统，属于旋翼直升机的一种。除了能够垂直起降、着陆、悬停、纵飞、侧飞等飞行特性外，与常规的旋翼直升机相比，其结构更为简洁、四个旋翼之间能够相互抵消反扭力矩，不需要专门的反扭桨距¨ｏ；具有更强的负载能力、并且其控制方式简单，可以通过只改变四个旋翼的转速实现各种飞行控制。

学模型，并运用模块化的设计思想，利用Ｍａｔｌａｂ平台上建模

和仿真功能对其进行了仿真控制。

２飞行原理

四旋翼直升机的结构简图如图ｌ所示，四个旋翼位于对称的十字架结构的四个顶点，分为前后、左右两组，并且飞行时这两组旋翼的转动方向正好相反：一组顺时针（１，３）转动，一组逆时针（２，４）转动。

当四个旋翼的转速相同并且其升力的总和等于直升机自身重力时，直升机悬停；同时等量的增大或者减小四个旋

收稿日期：２００９—０４—１３修回日期：２００９—０４—２８

翼的转速，直升机上升或下降，这个动作安全性高，不易造成

—１８一

万方数据