四旋翼飞行器LQR控制器设计与仿真分析.pdf

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2017年第16卷第24期

四旋翼飞行器LQR控制器设计与仿真分析

口李文超邓丽敏王若昆

【内容摘要】四旋翼飞行器逐步进入了人们的日常生活领域,因而关于四旋翼飞行器控制算法的研究激发了愈来愈多人的兴

趣。本文首先介绍了四旋翼飞行器数学模型的构建,然后运用线性二次型(LQR),设计了相应的飞行控制律,并通

过MATLAB仿真论证。

【关键词】四旋翼飞行器;动力学模型;LQR控制;仿真试验

【作者单位】李文超,邓丽敏,王若昆;南京铁道职业技术学院

一、四旋翼飞行器模型的构建uR丑/b】l+vRn/bl2+wRn/bl3

为了建立四旋翼飞行器的数学模型,首先要确立坐标uRn/b21+vRn,b22+wRn/b23

系,这里采用了机体坐标系B={X,Y,Zbf和本地NED坐uRn/b3l+vRn/b32-4-wRn/b33

标系N={X,Y,Z}。机体坐标系的原点0与飞行器重心一qw+rv—gsine

重合,在该坐标系下定义的线速度记为V:(U,v,W)[“—ILl+pw+gsin6cos0

s],角速度记为1)‘=(P,q,r)[‘rad/s],力记为F=(F,F,一pvqu-4-gcos~cose—T/m

F)[N],力矩记为F:(,r日,)[N.m]。本地NED坐P+(sin~btan0)q+(cos6tan0)r

qcos~b—rsinqb(5)

标系固定在地面上,通常选取飞行器起飞的起点作为该坐标

(sindj/cosO)q+(cos(Wcose)r

系的原点,记为O,在该坐标系下定义的线位移记为P=

(x,Y,z)[Il1]。++

JⅡJ舡

(一)运动学模型。四旋翼无人机的线运动与角运动满

(J一J)(n1一f+Q3一n4)j。·P

足著名的导航方程:—了pr-————一+

P=Rn,bVb(1)

JⅡrJⅡ

@=S~∞(2)

二、四旋翼飞行器的LQR控制器设计

式(2)的0=(,0,)代表飞行器的姿态角,用欧拉角运用线性二次型最优控制律的基本原理,结合四旋翼飞

描述,式(1)中的R为由机体坐标系转换到本地NED坐标行器的数学模型,设计相应的LQR控制器。首先选取加权矩

系时的转换矩阵,而式(2)中的s由欧拉运动方程中的矩阵阵Q,R,由于R越大,控制器功耗就越大,通常这应当是被避

s求逆可得。免的,而四旋翼飞行器对此要求更为苛刻,为保证控制器的

(二)六自由度刚体动力学模型。刚体的动力学模型可可行性,在满足控制要求的前提下,使加权矩阵R尽可能小,

由牛顿一欧拉方程推得,四旋翼飞行器的动力学模型由式保证低功耗,提升飞行器续航时间。

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