学生姓名：戴德松
班级：F0802004
学号：5080209100
指导老师：李劲松
摘要
微小型四旋翼无人直升机是一种外型新颖、性能卓越的垂直起降无人机，具有重要的军事和民用价值。本文主要讨论四旋翼小型无人直升机的建模与仿真。首先介绍小型无人机的历史、发展、特点和作用。其次对四旋翼小型无人直升机建立模型，进行物理分析，列出微分方程并线性化，得到四旋翼小型无人直升机系统的传递函数和状态空间方程。并用Matlab的Simulink仿真软件包测试各种算法对本系统的稳态和动态响应参数。考察各种算法下的系统的鲁棒性，快速性等性能并确定最优算法。最后讨论了自适应逆控制算法的可行性。 关键词：小型四旋翼直升机、建模、PID、自适应
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ABSTRACT
KEY WORDS：Mini quad rotor, Modeling, PID，adaptive filter
Mini quad rotor is an excellent, novel vertical take-off and landing Unmanned Aerial Vehicle(UA V) for both military and civilian usages. This paper mainly investigates the Small Scale Helicopter system. First, it introduced the system to the reader about its history, development, character and why we should investigate this system. Second, it establishes the physics model for the system and use Laplace transform and state space formula to describe it.
Then, use Matlab as a tool, we stimulate the response of the angle to the force when apply different methods and signals. At last, we apply adaptive filter into this system as an experiment.
目录
第一章小型无人机概述 (3)
1.1小型无人机系统简介 (3)
1.1.1 无人机的历史与发展 (4)
档案管理方法1.1.2无人机的类型 (4)
1.1.3可应用于四旋翼小型无人机的控制理论 (5)
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1.2本次PRP项目的目标和难点 (7)
第二章小型四旋翼直升机的建模 (7)
2.1小型四旋翼直升机的机体构造以及工作原理 (7)
2.1.1机体构造 (8)
2.1.2工作原理 (10)
2.2小型四旋翼直升机的动力学分析与建模 (13)
小电流选线2.2.1动力学分析以及传递函数建立及其线性化 (13)
2.2.2状态空间方程构造 (16)
2.2.3状态空间方程的线性化 (20)
2.3关于模型的讨论 (21)
2.3.1能控性、能观性的定义 (21)
2.3.2系统的能控性 (22)
2.3.3系统的能观性 (24)
2.3.4模型及状态空间方程的结论 (26)
第三章小型四旋翼飞机的PID算法设计与仿真 (27) 3.1设计要求 (28)
3.2理论分析 (28)
3.3四旋翼直升机Matlab仿真系统的响应 (30)
3.3.1Matlab仿真工具：Simulink (30)
3.3.2 小飞机系统的各项参数 (30)
3.3.3控制器设计和仿真 (30)
第四章总结与展望 (37)
致谢 (38)
小型四旋翼无人机的建模与仿真
第一章小型无人机概述
1.1小型无人机系统简介
目前小飞机已经从最初的形状发展到现在多各
式各样、各具功能。左图是较为典型的四旋翼小型无
人机，其结构大体可分为：四个旋翼、电机，中心芯
车联网天线片，四个支臂，陀螺仪和四个测速器和地面控制台。
我们的模型建立背景是：假设四旋翼直升机处于悬停
在空中或匀速直线运动的状态。某一时刻，小飞机突
然发生状态的改变，通过小飞机内置芯片接受测速器和陀螺仪发来的信号，然后通过改变电流，调整转速，使得小飞机恢复原始状态。
四旋翼小飞机系统的组成框图如下图所示：
系统由脉冲宽度调制器(PWM)、电流控制器、速度控制器、位置检测器等几大部分组成了一个闭环。
1.1.1 无人机的历史与发展
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无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机的诞生可以追溯到1914年。当时第一次世界大战正进行得如火如荼，英国的卡德尔和皮切尔两位将军，向英国军事航空学会提出了一项建议：研制一种不用人驾驶，而用无线电操纵的小型飞机，使它能够飞到敌方某一目标区上空，将事先装在小飞机上的投下去。这种大胆的设想立即得到当时英国军事航空学会理事长戴·亨德森爵士赏识。他指定由A.M.洛教授率领一班人马进行研制。
1927年，由A.M.洛教授参与研制的“喉”式单翼无人机在英国海军“堡垒”号军舰上成功地进行了试飞。该机载有113公斤，以每小时322公里的速度飞行了480公里。“喉”式无人机的问世在当时的世界上曾引起极大的轰动。[1]
二战结束之后，随着航空技术的飞速发展，无人机家族也逐渐步入其鼎盛时期。时至今日，世界上研制生产的各类无人机已达近百种，并且还有一些新型号正在研制之中。而随着计算机技术、自动驾驶技术和遥控遥测技术的发展和在无人机中的应用，以及随着对无人机战术研究的深入，无人机在军事方面的应用日益广泛，被誉为“空中多面手”、“空中骄子”。
[2]
无人机的作用在军事方面主要被用于：作为靶机、监视侦察、诱骗敌人、干扰敌人、对敌攻击、校正射击、通信中继等。[3]
虽然无人机的诞生缘于军事，但是其在民间应用也越加广泛。诸如场区监控、气象探测、空中巡查、地质勘探、水灾火灾防救、交通控制等都有无人机的用武之地。
此外，在农业、核能、生物等领域，无人机也能到它的发挥空间。
1.1.2无人机的类型
四旋翼无人机只是无人机大家族中的一个分支。无人机目前为止主要的应用还是在军事方面，按照其在军事方面的不同作用，可将无人机分为四大类[4]：
1.战术无人侦察机（TUA V）：这种无人机具有移动速度快，反雷达能力强等特点。
主要被用于侦察敌情、搜索目标、实施搜救、截获敌情、部队作战指挥与战场目标
和战斗损失的评估等。
2.战略无人侦察机（SUA V）：这种机型特点是反隐性能好、分析信号和破解、截获
