小型四旋翼直升机的建模与仿真控制第２７卷第７期文章编号：１００６—９３４８（２０１０）０７—００１８—０３计算机仿真２０１０年７月小型四旋翼直升机的建模与仿真控制刘志军，吕强，王东来（装甲兵工程学院控制工程系，北京１０００７２）摘要：针对实现对小型四旋翼直升机的飞行控制，为提高飞行性能和加强稳定性，根据四旋翼直升机特有的机械结构和飞行原理，利用牛顿一欧拉方程建立了小型四旋翼直升机的飞行动力学数学模型，而且对该型进行了合理的简化。同时在Ｍａｔ—ｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真环境下，采用直升机动力学模型搭建ｒ模块化、层次化的系统仿真图，并通过ＰＩＤ控制算法对直升机悬停状态进行仿真，实现了直升机姿态控制。仿真结果表明在具有小扰动的条件下，模型能够仿真小型四旋翼直升机的飞行状态，满足直升机飞行姿态的控制要求。关键词：四旋翼直升机；模型；简化；仿真中图分类号：ＴＰ２７３文献标识码：ＡＭｏｄｅｌｉｎｇＡｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＯｆａＳｍａｌｌ—ｓｉｚｅｄＱｕａｄｒｏｔｏｒＬＩＵ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＨｅｌｉｃｏｐｔｅｒＤｏｎｇ—ｌａｉＺｈｉ－ｊｕｎ，ＬＶＱｉａｎｇ，ＷＡＮＧＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＡｃａｄｅｍｙｏｆＡｒｍｏｒｅｄＦｏｒｃｅＥｎ西ｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７２，Ｃｈｉｎａ）ｔｏＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｉｎｏｒｄｅｒｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｆｌｉｇｈｔｏｆａｓｍａｌｌ—ｓｉｚｅｄｑｕａｄｒｏｔｏｒｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒ，ｔｈｅｆｌｉｇｈｔｄｙｎａｍｉｃｓｍｏｄｅｌｉｓｏｎｓｅｔｕｐｉｔｓｕｓｉｎｇＮｅｗｔｏｎ—Ｅｕｌｅｒｅｑｕａｔｉｏｎｓａｎｄｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｐｒｏｐｅｄｙ，ｗｈｉｃｈｉｓｂａｓｅｄｔｈｅｕｎｉｑｕｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｆｌｉｇｈｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．ＡｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅｉｎｔｈｅＭａｆｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｍｏｄｕｌａｒａｎｄｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｔｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｇｒａｐｈｉｃｓｉｓｂｕｉｌｔａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｈｅｓｔａｔｅｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｏｆｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒ．ＡｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｕｓｉｎｇＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｎｕｌａｔｉｏｎｏｆｈｏｖｅｒ．ｃｏｍｐｌｅｔｉｎｇａｔｈｅａａｉｔｕｄｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒｉｎｔｈｅｓｔａｔｅ．Ｔｈｅｓｉｍ－ｔｏｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｏｄｅｌｗｉｔｈｓｍａｌｌｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｉｓａｂｌｅｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒｆｌｉｇｈｔｓａｎｄｍｅｅｔｓｔｈｅｎｅｅｄｏｆｔｈｅｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒｆｌｉｇｈｔｃｏｎｔｒ０１．ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｑｕａｄｒｏｔｏｒ；Ｍｏｄｅｌ；Ｓｉｍｐｌｉｆｙ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｌ引言近年来，随着微电子、微机械技术和计算机技术的不断发展，对微型、小型飞行器的控制也得以实现。由于其具有四旋翼直升机同时也是一种具有多变量、非线性、强耦合等特性的不稳定系统。为了能实现对四旋翼直升机的飞行控制，并节省开发时间和节省研制费用，首先需要对直升机进行建模和仿真。由于悬停模式是直升机最基本、最关键的飞行模式，本文主要讨论了悬停状态下四旋翼直升机的数体积小、重量轻、成本低的飞行平台优势，且其操纵控制方便、机动灵活、噪音小、隐蔽性好，无论是在军事领域还是在民用领域，都具有十分广阔的应用前景。因此微型、小型飞行器得到国内外很多学者和机构的关注和研究。小型四旋翼直升机是一种具有六个自由度和四个输入的欠驱动系统，属于旋翼直升机的一种。除了能够垂直起降、着陆、悬停、纵飞、侧飞等飞行特性外，与常规的旋翼直升机相比，其结构更为简洁、四个旋翼之间能够相互抵消反扭力矩，不需要专门的反扭桨距__168;ｏ；具有更强的负载能力、并且其控制方式简单，可以通过只改变四个旋翼...