四旋翼飞行器建模与控制仿真实验教程

资源摘要信息:"《四旋翼飞行器建模仿真综合实验》是北京航空航天大学提供的课程实验资源，该资源涉及的四个实验通过四个平行的.m脚本文件在Matlab环境中实现，文件夹名称为quadsim-main。本资源适用于使用Matlab进行控制系统建模、仿真分析以及GUI界面设计的用户。 1. 四旋翼飞行器建模： 在此部分实验中，学习者将使用Simulink工具构建一个四旋翼飞行器模型。四旋翼飞行器（也称为无人机）是依靠四个旋翼的升力控制，能够执行复杂的机动动作。在这个实验中，重点在于对飞行器在受到力和力矩作用时的线性运动（3DOF）以及角运动（3DOF）进行六自由度（6DOF）的仿真。掌握四旋翼飞行器的物理结构、动态特性以及如何在Simulink中表达这些特性是关键。这涉及到对四旋翼飞行器各个组件的动力学建模，如转子动力学、飞行器质心运动学、飞行器的姿态度运动学等。 2. 定点悬停控制实验： 实验目的为实现对四旋翼飞行器在空间中一个指定点的精确悬停控制。这涉及到控制理论中的稳定性和跟踪问题。学生需要在Simulink环境下建立控制算法，实现控制系统的闭环设计。此外，实验还包括开发一个GUI界面，该界面允许用户输入参数，并能够观察到仿真飞行轨迹，评估控制效果。分析控制误差并尝试优化控制算法，以提高飞行器的悬停精度，也是该实验的关键组成部分。 3. 航路跟踪控制实验： 在该实验中，学习者将面临使四旋翼飞行器跟踪空间中任意指定路径的挑战。该实验同样要求通过Simulink建立控制模型，并设计相应的控制策略。实验需创建GUI界面，允许用户交互式地输入航路点，并通过GUI展示3D飞行轨迹。与悬停控制实验类似，评估控制误差、分析问题所在并改进控制策略以提升路径跟踪精度是此实验的重要学习目标。 4. 编队跟踪控制实验： 在这一实验部分，学生需要基于四旋翼飞行器模型，完成多机编队飞行的控制设计。实验要求学生建立三机编队的线性与圆形飞行模型，沿着预设的路径进行飞行。GUI界面的实现将使用户能够绘制编队飞行轨迹，并对控制误差进行分析。类似于前面的实验，学生应探索如何改进控制算法，以提升编队飞行的精确度和效率。 以上所有实验均通过Matlab脚本文件实现参数的加载、Simulink仿真运行以及结果的输出，为学生提供了一个综合性的平台，用以学习和实践飞行器控制、建模和仿真分析的技能。 该资源适合对航空器控制系统、机器人运动学与动力学以及Matlab/Simulink仿真工具感兴趣的工程、计算机科学、自动化等相关专业的学生与研究人员。"