Модель руководства для мультироторных БПЛА
A multirotor объект представляет собой модель наведения пониженного порядка для беспилотного летательного транспортного средства (БПЛА). Модель аппроксимирует поведение системы с обратной связью, состоящей из контроллера автопилота и мультироторной кинематической модели для 3-D движения.
Для фиксированных БПЛА см. fixedwing.
model = multirotor создает мультироторную модель движения с double значения точности для входов, выходов и параметров конфигурации модели руководства.
model = multirotor(DataType) определяет точность типа данных (DataType свойство) для входов, выходов и параметров строений модели руководства.
control | Команды управления для БПЛА |
derivative | Производная по времени от состояний БПЛА |
environment | Входы окружающей среды для БПЛА |
state | Вектор состояния БПЛА |
В этом примере показано, как использовать multirotor модель руководства для симуляции изменения состояния БПЛА из-за входных команд.
Создайте модель мультироторного руководства.
model = multirotor;
Создайте структуру состояния. Укажите местоположение в мировых координатах.
s = state(model); s(1:3) = [3;2;1];
Задайте команду управления, u, который определил крен и тягу мультиротора.
u = control(model); u.Roll = pi/12; u.Thrust = 1;
Создайте окружение по умолчанию без ветра.
e = environment(model);
Вычислите производную по времени от состояния с учетом текущего состояния, команды управления и окружения.
sdot = derivative(model,s,u,e);
Симулируйте состояние БПЛА с помощью ode45 интегрирование. The y поле выводит мультироторные состояния БПЛА в виде матрицы 13 на n.
simOut = ode45(@(~,x)derivative(model,x,u,e), [0 3], s); size(simOut.y)
ans = 1×2
13 3536
Постройте график изменения угла крена на основе выходов симуляции. Угол крена (угол X Эйлера) является 9-й строкой simOut.y выход.
plot(simOut.y(9,:))
Постройте график изменения положения Y и Z. При заданном угле тяги и крена мультиротор должен перелететь и потерять некоторую высоту. Положительное значение для Z ожидается, так как положительное Z меньше.
figure plot(simOut.y(2,:)); hold on plot(simOut.y(3,:)); legend('Y-position','Z-position') hold off
Можно также построить график мультироторной траектории с помощью plotTransforms. Создайте векторы смещения и поворота из моделируемого состояния. Downsample (каждый 300-й элемент) и транспонируйте simOut элементы и преобразуйте углы Эйлера в кватернионы. Задайте mesh как multirotor.stl файл и положительное Z-направление как "down". Отображаемый вид показывает БПЛА, перемещающийся в Y-направлении и теряющий высоту.
translations = simOut.y(1:3,1:300:end)'; % xyz position rotations = eul2quat(simOut.y(7:9,1:300:end)'); % ZYX Euler plotTransforms(translations,rotations,... 'MeshFilePath','multirotor.stl','InertialZDirection',"down") view([90.00 -0.60])
Для мультироторов для определения модели наведения БПЛА используются следующие уравнения. Чтобы вычислить производную по времени состояния БПЛА, используя эти управляющие уравнения, используйте derivative функция. Задайте входы используя state, control, и environment.
Положение БПЛА в земной системе координат [xe, ye, ze] с ориентацией как Углы Эйлера ZYX, [ψ, ϴ, ϕ] в радианах. Скорости вращения [p, q, r] в радианах в секунду.
Каркас кузова БПЛА использует координаты как [xb, yb, zb].
Матрица вращения, которая вращается от мира к каркасу кузова, является:
cos (x) и sin (x) сокращаются как cx и sx.
Ускорение центра масс БПЛА в земных координатах определяется:
m - масса БПЛА, g - сила тяжести, а Fthrust - общая сила, создаваемая гребными винтами, приложенными к мультиротору вдоль оси - zb (точки вверх в горизонтальном положении).
Контроллер ориентации крена с обратной связью аппроксимируется поведением 2 независимых ПД-контроллеров для двух углов поворота и 2 независимых P-контроллеров для скорости рыскания и тяги. Скорость вращения, угловое ускорение и тяга управляются:
Эта модель принимает, что автопилот принимает в командном крене, тангаже, скорости рыскания, [c, ϴc, ϕ.c] и командуемая общая сила тяги, Fcтяга. Структура для задания этих входов сгенерирована из control.
Коэффициент усиления P и D для входов управления заданы как KPα и KDα, где α является углом поворота или упором. Эти усиления вместе с массой БПЛА, m, указаны в Configuration свойство multirotor объект.
Из этих управляющих уравнений модель задает следующие переменные: 
Эти переменные совпадают с выходными данными state функция.
[1] Меллинджер, Дэниел и Нейтан Майкл. «Траектория Генерации и управление для точных агрессивных маневров с квадроторами». Международный журнал исследований робототехники. 2012, с. 664-74.