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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):
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。
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:
"
其中, C T C_T CT及 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。
根据求得的 M 及 N 求解出电机的等效电流
I
m
I_m
Im 及
U
m
U_m
Um 。表达式如下:
"
其中, Θ m \Theta_m Θm为电机参数集合。
根据电机模型的
I
m
I_m
Im 及
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:
"
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
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:
"
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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