【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_无人机控制技术(协同控制技术,态势控制技术)

Link: 【控制】四旋翼无人机姿态角分析

3.1 无人机运动建模

3.1.1 参考坐标系

地面坐标轴系 $S_g$
机体坐标轴系 $S_b$
气流坐标轴系 $S_a$
稳定性坐标轴系 $S_s$

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 $O$ 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 $S_b$ 与地面坐标轴系 $S_g$ 确定，包含：

1. 偏航角 $\psi$
2. 俯仰角 $\theta$
3. 滚转角 $\Phi$

气流角又称气动角，由飞行速度向量与机体坐标轴系 $S_b$ 确定，包含：

1. 迎角 $\alpha$
2. 测滑角 $\beta$

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

1. 航迹倾斜角 $\mu$
2. 航迹方位角 $\varphi$
3. 航迹滚转角 $\gamma$

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

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

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

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

$T$ : 无人机发动机的推力；

$m$ : 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：
$$\sum F=\frac{d}{dt}(mv)$$

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

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