【控制】《多无人机协同控制技术》周伟老师-第3章-面向协同控制的无人机单机控制

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第3章-面向协同控制的无人机单机控制

3.1 无人机运动建模
- 3.1.1 参考坐标系
- 3.1.2 运动参数
- 3.1.3 无人机运动方程
3.2 无人机飞行控制系统设计
- 3.2.1 飞行控制系统的基本设计思路
- 3.2.2 飞行控制系统功能组成
3.3 纵向回路控制律设计
- 3.3.1 PID 控制算法
- 3.3.2 俯仰角控制律设计
- 3.3.3 高度保持/控制模态控制律设计
- 3.3.4 速度保持/控制模态设计
3.4 横侧向回路控制律设计
- 3.4.1 姿态稳定与控制
- 3.4.2 航向保持/控制模态控制律设计
3.5 仿真结果
3.6 本章小结

3.1 无人机运动建模

3.1.1 参考坐标系

地面坐标轴系 SgS_gSg
机体坐标轴系 SbS_bSb
气流坐标轴系 SaS_aSa
稳定性坐标轴系 SsS_sSs

一般来说，任何一组直角坐标系相对于另一组直角坐标系的方位，都可以由欧拉角来确定。

例子：地面坐标轴系和机体坐标轴系的转换

假设经过坐标平移，两坐标轴系的原点重合于无人机的重点 OOO 点，然后经过三次旋转来实现两坐标轴系之间的变换。

3.1.2 运动参数

姿态角，又叫欧拉角，由机体坐标轴系 SbS_bSb 与地面坐标轴系 SgS_gSg 确定，包含：

偏航角 ψ\psiψ
俯仰角 θ\thetaθ
滚转角 Φ\varPhiΦ

气流角又称气动角，由飞行速度向量与机体坐标轴系 SbS_bSb 确定，包含：

迎角 α\alphaα
测滑角 β\betaβ

航迹角，由气流坐标轴系 SaS_aSa 与地面坐标轴系 SgS_gSg 之间的关系确定的。

航迹倾斜角 μ\muμ
航迹方位角 ϕ\phiϕ
航迹滚转角 γ\gammaγ

另外，还包含以下变量符号：
u、v、wu、v、wu、v、w : 无人机在静止空气中的飞行速度向量在机体坐标轴系 SbS_bSb 中的分量；

p、q、rp、q、rp、q、r : 无人机角速度在机体坐标轴系 SbS_bSb 中的分量，分别为滚动角速度、俯仰角速度和偏航角速度；

D、L、CD、L、CD、L、C : 无人机所受空气动力在机体坐标轴系 SbS_bSb 中的分量，分别为阻力、升力和侧力；

L、M、NL、M、NL、M、N : 无人机所受空气动力矩在机体坐标轴系 SbS_bSb 中的分量，分别为滚动力矩、俯仰力矩和偏航力矩；

TTT : 无人机发动机的推力；

mmm : 无人机及其载荷的质量。

3.1.3 无人机运动方程

无人机在合外力作用下的线运动方程式为：
∑F=ddt(mv)\sum F = \frac{d}{dt}(mv)∑F=dtd(mv)

无人机在合外力矩作用下的角运动方程式为：
∑M=ddtH\sum M = \frac{d}{dt}H∑M=dtdH

以机体坐标系为动坐标系，建立动力学方程式：
$$$$

3.2 无人机飞行控制系统设计

3.2.1 飞行控制系统的基本设计思路

3.2.2 飞行控制系统功能组成

3.3 纵向回路控制律设计

3.3.1 PID 控制算法

3.3.2 俯仰角控制律设计

3.3.3 高度保持/控制模态控制律设计

3.3.4 速度保持/控制模态设计

3.4 横侧向回路控制律设计

3.4.1 姿态稳定与控制

3.4.2 航向保持/控制模态控制律设计

3.5 仿真结果

3.6 本章小结

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