多旋翼飞行器设计与控制(一)

本文介绍了多旋翼飞行器的基本概念,包括固定翼、直升机、多旋翼和复合飞行器的特点。详细阐述了四旋翼操控原理及局限性,并回顾了多旋翼飞行器从休眠到爆发的发展历程,涉及关键产品和学术进展。

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一、基本概念

固定翼

飞机的机翼后掠角等参数固定不变。
优点:续航时间最长,飞行效率最高,载荷最大。
缺点:必须要助跑,降落时必须要滑行。

直升机

动力装置带动一个或两个主旋翼,提供托举起飞行器的升力。
优点:可以垂直起降。
缺点:续航时间没有优势,机械结构复杂,维护成本高。

多旋翼

可以认为是直升机的一种,属于四个或更多旋翼的直升机。
优点:垂直起降、机械结果简单、易于维护。
缺点:载重和续航时间都更差。

复合飞行器

二、操控和评价

四旋翼操控

(1)悬停

  1. 拉力抵消重力
  2. 四个螺旋桨拉力产生的滚转、俯仰力矩为零
  3. 偏航力矩为零,四个螺旋桨反扭矩效应均被抵消

在这里插入图片描述
(2)前后运动

### 旋翼飞行器设计控制方法 #### 动力学建模 旋翼飞行器的动力学模型对于理解其运动特性和设计有效的控制系统至关重要。这类飞行器通常由个电机驱动螺旋桨来产生升力和推力,从而实现垂直起降以及悬停等功能[^1]。为了准确描述这些特性,需要考虑质量分布、惯量矩阵等因素,并基于牛顿-欧拉方程构建完整的六自由度(6DOF)动力学模型。 #### 控制系统架构 针对非线性的旋翼平台,常用的控制框架包括内外环结构:外环负责处理位置跟踪任务;内环则专注于姿态稳定调节。具体来说: - **外环控制器**:主要作用于全局坐标系下,接收来自导航模块的位置指令信号,经过转换计算得出期望的姿态角作为输入传递给内环。 - **内环控制器**:工作在机体坐标系内部,依据当前实际测量到的角度偏差调整各轴转矩输出,确保机身保持预期方向不变的同时抵消外界扰动影响[^3]。 #### MATLAB/Simulink中的仿真实践 利用MATLAB及其扩展包Simulink可方便快捷地搭建上述提到的各种组件并开展仿真实验。例如,在创建好物理属性设定之后,可以通过编写S函数自定义复杂的逻辑运算过程或是调用内置库完成PID参数整定等工作流操作[^4]。 ```matlab % 创建个简单的 PID 调节器实例 pidController = pid(Kp, Ki, Kd); ``` #### 实际应用案例分析 当把理论研究成果应用于实物样机之前,往往还需要经历系列严格的测试环节以评估整体表现是否满足预期指标要求。这期间可能会涉及到软硬件联调优化、抗风能力检验等个方面的工作内容[^5]。
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