【四轴飞行器】在Simulink中使用SimMechanics模拟四轴飞行器附Simulink仿真

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🔥 内容介绍

四轴飞行器（Quadcopter）通过四个电机带动螺旋桨产生的升力差实现姿态与位置控制，其动力学特性涉及刚体运动、空气动力及控制耦合。在 Simulink 中使用SimMechanics（现整合为 Simscape Multibody） 可精准构建机械结构与运动关系，结合控制系统模块实现完整仿真。

1.1 核心工具与版本要求

• 仿真平台：MATLAB R2020b 及以上（推荐 R2022a+，Simscape Multibody 模块功能更完善）；

• 核心模块集：

• Simscape Multibody（机械结构建模，替代旧版 SimMechanics）；

• Simscape Electrical（电机与电调建模）；

• Control System Toolbox（PID 控制器设计）；

• Aerospace Toolbox（可选，提供空气动力学系数库）。

二、Simscape Multibody 机械结构建模（核心步骤）

Simscape Multibody 通过 “刚体 - 关节 - 约束” 的层级结构构建四轴物理模型，需依次完成基础框架、电机与螺旋桨组件、运动约束的搭建。

三、动力系统建模（电机与螺旋桨动力学）

四轴的升力与扭矩由电机带动螺旋桨旋转产生，需通过 Simscape Electrical 模块构建电机模型，并建立 “电机转速 - 螺旋桨升力 / 扭矩” 的数学关系。

四、控制系统设计（姿态与位置控制）

四轴的控制目标是通过调节四个电机的转速，实现姿态（滚转 Roll、俯仰 Pitch、偏航 Yaw）稳定与位置（x、y、z 轴）跟踪。控制系统采用 “串级 PID” 结构：内环为姿态控制，外环为位置控制。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 彭学锋,鲁兴举,吕鸣.基于SimMechanics的两轮机器人建模与仿真[J].系统仿真学报, 2010(11):3.DOI:CNKI:SUN:XTFZ.0.2010-11-042.

[2] 李学良,沈钢.基于仿真软件Simulink/SimMechanics的铰接式列车动力学建模[J].城市轨道交通研究, 2012, 15(6):3.DOI:10.3969/j.issn.1007-869X.2012.06.024.

[3] 张晓超,董玉红.基于MATLAB/Simulink的机器人运动学仿真[J].现代制造工程, 2005(S1):2.DOI:JournalArticle/5aed89ebc095d710d40d23e0.

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