无人机受控 Simulink 模型矢量化附Simulink仿真

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🔥 内容介绍

在无人机技术蓬勃发展的当下，其应用领域持续拓展，从军事侦察到民用的测绘遥感、农业植保、物流配送以及应急救援等，无处不在。然而，随着应用需求的日益复杂，对无人机性能的要求也愈发严苛。为了实现更高效、稳定且精准的飞行控制，对无人机受控系统进行深入研究显得尤为重要。其中，将无人机受控模型在 Simulink 环境下进行矢量化处理，成为提升无人机控制性能、深入理解其动态行为以及优化控制算法的关键路径。通过构建矢量化模型，能够在计算机虚拟环境中模拟无人机在各种飞行条件下的响应，进而为实际飞行控制提供坚实的理论支撑与实践指导。

二、无人机动力学模型构建

三、矢量控制算法在无人机中的应用

3.1 矢量控制基本原理

矢量控制最初应用于电机控制领域，其核心思想是通过坐标变换，将三相交流电机的定子电流分解为相互独立的励磁电流分量和转矩电流分量，从而实现对电机转矩和磁链的解耦控制，如同将复杂的交流电机控制问题转化为相对简单的直流电机控制问题。在无人机应用中，矢量控制主要用于对电机的精确控制，进而实现对无人机动力输出的精准调节。以四旋翼无人机为例，通过对四个电机分别实施矢量控制，能够独立地控制每个电机的输出转矩和转速，从而精确调整无人机的姿态和飞行轨迹。

3.2 基于矢量控制的无人机控制策略

在无人机控制系统中，将矢量控制与姿态控制、位置控制等相结合，构建完整的控制体系。姿态控制系统负责调节无人机的俯仰角、滚转角和偏航角，使其保持稳定或按照预定姿态变化。基于矢量控制的姿态控制策略，通过解算期望姿态与当前姿态的误差，将误差信号转化为对电机转矩的控制指令。例如，当无人机需要增大俯仰角时，通过矢量控制算法，增加对应电机的输出转矩，改变无人机的俯仰力矩，从而实现姿态调整。

位置控制系统则基于姿态控制系统，通过控制无人机的姿态来间接实现位置控制。根据期望位置与当前位置的偏差，计算出所需的姿态调整量，再由姿态控制系统通过矢量控制电机来执行。在航迹跟踪控制中，同样依据预定航迹与当前位置的差异，利用矢量控制精确调节无人机的动力输出，使无人机能够沿着规划航迹飞行，提高飞行的准确性和稳定性。

四、在 Simulink 中搭建矢量化模型

4.1 模型搭建流程概述

在 Simulink 中搭建无人机受控矢量化模型，首先要建立无人机的动力学模型，包括上述的刚体动力学、气动力、螺旋桨等模型模块。利用 Simulink 丰富的模块库，如 “Rigid Body” 模块构建刚体动力学部分，通过自定义函数或查表模块实现气动力和螺旋桨模型。接着，设计矢量控制算法模块，将其与动力学模型相连接，实现对电机的精确控制。同时，搭建传感器模型，模拟陀螺仪、加速度计、GPS 等传感器的输出，为控制系统提供实时状态反馈。最后，整合姿态控制、位置控制等子系统，构建完整的闭环控制系统。

4.2 关键模块设计与实现

4.2.1 动力学模型模块

以六自由度动力学模型为例，在 Simulink 中，将平动动力学方程和姿态动力学方程分别通过一系列的数学运算模块实现。例如，使用积分器模块对加速度进行积分得到速度和位置，通过乘法器、加法器等模块实现力和力矩与运动参数之间的运算关系。对于气动力和螺旋桨模型模块，根据其数学表达式，利用函数模块编写相应的计算代码，或通过查表模块加载预先测量或计算得到的数据表，实现不同飞行状态下力和力矩的准确输出。

4.2.2 矢量控制算法模块

矢量控制算法模块主要实现坐标变换、电流环控制等功能。在 Simulink 中，利用三角函数模块实现 Clark 变换和 Park 变换，将三相静止坐标系下的电流转换到同步旋转坐标系（d-q 坐标系）。在 d-q 坐标系下，设计比例积分（PI）控制器作为电流环控制器，分别对 d 轴电流和 q 轴电流进行调节，以实现对电机磁链和转矩的独立控制。通过反 Park 变换和 SVPWM（空间矢量脉宽调制）模块，将 d-q 坐标系下的电压指令转换为驱动电机所需的 PWM 信号，控制电机的运行。

4.2.3 传感器模型模块

传感器模型模块模拟实际无人机上搭载的各种传感器。例如，陀螺仪传感器模型可通过在 Simulink 中添加噪声模块和延迟模块，对理想的角速度信号进行处理，模拟真实陀螺仪的测量误差和响应延迟。加速度计模型同样考虑噪声和零偏等因素，对重力加速度和机体加速度进行合成并输出带有误差的测量值。GPS 模型则根据设定的定位精度和更新频率，输出无人机的位置信息，为控制系统提供位置反馈。

五、仿真与结果分析

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 李文强,彭学锋,郑志强.基于Simulink的无人机六自由度仿真[J].系统仿真学报, 2007, 19(19):3.DOI:10.3969/j.issn.1004-731X.2007.19.060.

[2] 刘银春.小型无人机控制律设计及仿真研究[D].中南大学,2008.DOI:10.7666/d.y1327052.

[3] 孟佳东,赵志刚.小型四旋翼无人机建模与控制仿真[J].兰州交通大学学报, 2013(1):5.DOI:10.3969/j.issn.1001-4373.2013.01.015.

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