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【飞控初体验】(三)四旋翼无人机动力系统建模

无人机动力系统建模

建模目的

无人机动力系统包括:螺旋桨、电机、电调及电池。建模流程图如下(图片来源《多旋翼飞行器设计与控制》.[M].全权):
请添加图片描述
经过误差结算后,将误差信息转换为螺旋桨的升力与转矩,以便实现对电机的控制。而动力系统建模就是描述了该控制的过程。

1 螺旋桨建模

得到姿态误差后,可将角度误差转化为升力(T)及扭矩(M)的控制量,有了T和M就可以根据螺旋桨参数结算出需要的转速(N)。对应公式如下:
"

T = C T ∗ p ∗ ( N / 60 ) 2 ∗ D p 4 C_T*p*(N/60)^2*D_p^4 CTp(N/60)2Dp4
M = C M ∗ p ∗ ( N / 60 ) 2 ∗ D p 5 C_M*p*(N/60)^2*D_p^5 CMp(N/60)2Dp5

其中, C T C_T CT C M C_M CM为无量纲系数,由螺旋桨物理参数决定;p为空气密度,一般设为常熟; D p D_p Dp为螺旋桨直径。

2 电机建模

根据求得的 M 及 N 求解出电机的等效电流 I m I_m Im U m U_m Um 。表达式如下:
"

U m = f U ( Θ m , M , N ) U_m = f_U(\Theta_m ,M, N ) Um=fU(Θm,M,N)
I m = f I ( Θ m , M , N ) I_m = f_I(\Theta_m ,M, N ) Im=fI(Θm,M,N)

其中, Θ m \Theta_m Θm为电机参数集合。

3 电调(ESC)建模

根据电机模型的 I m I_m Im U m U_m Um ,电调参数集合 Θ e \Theta_e Θe 及 电池参数集合 Θ b \Theta_b Θb,求出油门指令 σ \sigma σ 、电调的输入电流 I e I_e Ie 及 输入电压 U e U_e Ue。表达式如下:
"

σ = f σ ( Θ b , U m , I m , U b ) ≈ ( U m + I m ∗ R e ) / U b \sigma = f_\sigma(\Theta_b ,U_m, I_m, U_b )\approx(U_m + I_m*R_e)/U_b σ=fσ(Θb,Um,Im,Ub)Um+ImRe/Ub
U e = f U ( Θ b , I e ) ≈ ( U b − I b ∗ R b ) U_e = f_U(\Theta_b , I_e )\approx(U_b-I_b*R_b) Ue=fU(Θb,Ie)(UbIbRb)
I e = f I ( σ , I m ) ≈ ( I m ∗ σ ) I_e = f_I(\sigma , I_m )\approx(I_m*\sigma) Ie=fI(σ,Im)(Imσ)
I b = n r ∗ I e + I o I_b = n_r*I_e+I_o Ib=nrIe+Io

其中 n r n_r nr为螺旋桨数, I o I_o Io为其他硬件的分流

4 电池建模

根据电调求出的电流 I b I_b Ib 及电池参数集合 Θ b \Theta_b Θb ,求出电池的续航时间。表达式如下:
"

T b = f T ( Θ b , I b ) ≈ ( C b − C m ) ∗ 60 / ( I b ∗ 1000 ) T_b = f_T(\Theta_b , I_b )\approx(C_b-C_m)*60/(I_b*1000) Tb=fT(Θb,Ib)(CbCm)60/(Ib1000)

其中, C b C_b Cb为电池总容量, C m C_m Cm为限定的最小容量

综上,当我们根据期望姿态获取到姿态误差时,我们便可输出对应的螺旋桨转速转矩,电机的电压及电流,电调的电压电流及油门开度,并结算出可飞行的时间。

本文所有知识点、图片及公式均来源于北航全权教授所著的《多旋翼飞行器设计与控制》图书。

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