【控制】《多無人機協同控制技術》周偉老師-第3章-面向協同控制的無人機單機控制

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第3章-面向協同控制的無人機單機控制

• ​​3.1 無人機運動模組化​​

• ​​3.1.1 參考坐标系​​
• ​​3.1.2 運動參數​​
• ​​3.1.3 無人機運動方程​​

• ​​3.2 無人機飛行控制系統設計​​

• ​​3.2.1 飛行控制系統的基本設計思路​​
• ​​3.2.2 飛行控制系統功能組成​​

• ​​3.3 縱向回路控制律設計​​

• ​​3.3.1 PID 控制算法​​
• ​​3.3.2 俯仰角控制律設計​​
• ​​3.3.3 高度保持/控制模态控制律設計​​
• ​​3.3.4 速度保持/控制模态設計​​

• ​​3.4 橫側向回路控制律設計​​

• ​​3.4.1 姿态穩定與控制​​
• ​​3.4.2 航向保持/控制模态控制律設計​​

• ​​3.5 仿真結果​​
• ​​3.6 本章小結​​

3.1 無人機運動模組化

3.1.1 參考坐标系

地面坐标軸系

S

g

S_g

Sg​

機體坐标軸系

S

b

S_b

Sb​

氣流坐标軸系

S

a

S_a

Sa​

穩定性坐标軸系

S

s

S_s

Ss​

一般來說，任何一組直角坐标系相對于另一組直角坐标系的方位，都可以由歐拉角來确定。

例子：地面坐标軸系和機體坐标軸系的轉換

假設經過坐标平移，兩坐标軸系的原點重合于無人機的重點

O

O

O 點，然後經過三次旋轉來實作兩坐标軸系之間的變換。

3.1.2 運動參數

姿态角，又叫歐拉角，由機體坐标軸系

S

b

S_b

Sb 與地面坐标軸系

S

g

S_g

Sg 确定，包含：

1. 偏航角

   ψ

   \psi

   ψ

2. 俯仰角

   θ

   \theta

   θ

3. 滾轉角

   Φ

   \varPhi

   Φ

氣流角又稱氣動角，由飛行速度向量與機體坐标軸系

S

b

S_b

Sb 确定，包含：

1. 迎角

   α

   \alpha

   α

2. 測滑角

   β

   \beta

   β

航迹角，由氣流坐标軸系

S

a

S_a

Sa 與地面坐标軸系

S

g

S_g

Sg 之間的關系确定的。

1. 航迹傾斜角

   μ

   \mu

   μ

2. 航迹方位角

   ϕ

   \phi

   ϕ

3. 航迹滾轉角

   γ

   \gamma

   γ

另外，還包含以下變量符号：

u

、

v

、

w

u、v、w

u、v、w : 無人機在靜止空氣中的飛行速度向量在機體坐标軸系

S

b

S_b

Sb​ 中的分量；

p

、

q

、

r

p、q、r

p、q、r : 無人機角速度在機體坐标軸系

S

b

S_b

Sb 中的分量，分别為滾動角速度、俯仰角速度和偏航角速度；

D

、

L

、

C

D、L、C

D、L、C : 無人機所受空氣動力在機體坐标軸系

S

b

S_b

Sb 中的分量，分别為阻力、升力和側力；

L

、

M

、

N

L、M、N

L、M、N : 無人機所受空氣動力矩在機體坐标軸系

S

b

S_b

Sb 中的分量，分别為滾動力矩、俯仰力矩和偏航力矩；

T

T

T : 無人機發動機的推力；

m

m

m : 無人機及其載荷的品質。

3.1.3 無人機運動方程

無人機在合外力作用下的線運動方程式為：

∑

F

=

d

d

t

(

m

v

)

\sum F = \frac{d}{dt}(mv)

∑F=dtd​(mv)

無人機在合外力矩作用下的角運動方程式為：

∑

M

=

d

d

t

H

\sum M = \frac{d}{dt}H

∑M=dtd​H

以機體坐标系為動坐标系，建立動力學方程式：

$$$$

3.2 無人機飛行控制系統設計

3.2.1 飛行控制系統的基本設計思路

3.2.2 飛行控制系統功能組成

3.3 縱向回路控制律設計

3.3.1 PID 控制算法

3.3.2 俯仰角控制律設計

3.3.3 高度保持/控制模态控制律設計

3.3.4 速度保持/控制模态設計

3.4 橫側向回路控制律設計

3.4.1 姿态穩定與控制

3.4.2 航向保持/控制模态控制律設計

3.5 仿真結果

3.6 本章小結

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