北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院 陈听雨

四旋翼是一种实用的无人飞行器。本文首先对四旋翼进行了动力学分析，在其基础上建立了四旋翼的数学模型。在对模型进行化简后，设计了飞行控制系统，并将控制系统拆分为内环姿态控制与外环位置控制，分别设计了PID控制率对其进行控制。最后在Matlab/Simulink中搭建了完整的四旋翼飞行控制仿真模型，并对模型与控制率进行了仿真验证。

1.引言

四旋翼飞行器是一种能实现垂直起降的非共轴式多旋翼飞行器（李俊,李运堂.四旋翼飞行器的动力学建模及PID控制[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2012,31(1):114-117）。小型四旋翼飞行器具有四个螺旋桨，并且螺旋桨呈十字交叉结构的旋翼式飞行器，它通过调整四个电机的转速来实现俯仰、横滚、偏航等飞行动作，并具有可悬停、机动性好、结构简单等优点（江杰,岂伟楠.四旋翼飞行器建模与PID控制器设计[J].电子设计工程,2013,21(23):147-150）。

图1 四旋翼飞行器

与固定翼飞行器相比，四旋翼控制相对简单，只需调节其四个旋翼转速即可实现对四旋翼飞行姿态的控制。为使得四旋翼能够按照设计的姿态与轨迹进行飞行，必须首先对四旋翼进行建模，然后根据得到的模型设计飞行控制系统并进行仿真验证。因此，对四旋翼进行建模，在此基础之上设计合理的控制率，并进行仿真验证是四旋翼实现各种姿态与路径飞行的关键。目前，四旋翼的控制方法主要有反步控制……