38、四旋翼无人机的机械建模、控制与仿真及小型无人机高度的最优鲁棒无模型控制

四旋翼无人机的机械建模、控制与仿真及小型无人机高度的最优鲁棒无模型控制

四旋翼无人机的机械建模、控制与仿真

1. 引言

四旋翼无人机，也称为无人机，因其能在复杂环境中自主执行多种任务，成为热门研究课题。其应用领域不断拓展，涵盖自主配送、测绘和图像采集等。不过，四旋翼无人机是不稳定的飞行机器人，横向运动难以控制，旋转和平移动力学存在欠驱动和强耦合问题。为解决这些问题，出现了多种稳定控制方法，其中 PID 控制器备受关注，非线性技术如滑模和反步控制器也在仿真和实验中得到验证。

近年来，仿真平台在众多领域广泛应用。在进行飞行实验前，有必要在虚拟环境中可视化四旋翼的行为。本文将探讨基于新方法开发的四旋翼飞行模拟器，该方法结合了机械模型和飞行控制器，可用于无人机模型验证和简化飞行控制器的调试。

2. 四旋翼系统

2.1 四旋翼描述

四旋翼是由四个相同旋翼驱动的空中机器人，旋翼呈“十”字或“X”形配置，由两对螺旋桨 - 旋翼组成。第一对（M1，M3）逆时针旋转，第二对（M2，M4）顺时针旋转，这种配置可抵消每个螺旋桨 - 旋翼产生的反作用力。

四旋翼通过四个相同旋翼产生的推力进行控制：
- 横滚运动（绕 x 轴旋转）：通过反向改变（M2，M4）的速度实现。
- 俯仰运动：通过使旋翼 M1 和 M3 产生的力不平衡来实现。
- 偏航运动：通过改变每对螺旋桨 - 旋翼之间的反扭矩来实现。
- 垂直飞行：通过同时改变所有旋翼的速度来实现。

2.2 四旋翼模型

四旋翼建模的目标是设计接近现实的模型，可采用牛顿 - 欧拉方法或拉