2024年5月1日发(作者：小米note10pro参数配置)

四旋翼无人机的数学模型控制及操作原理

作者：吕传庆 陈琪 马云波 董珮璠

摘要：本文对选择四旋翼无人机为研究对象，用数学建模的方法对其动力及运动

状态进行分析，对所建动力学模型上进行PID算法控制，仿真结果很好模拟了真实环境下

无人机的飞行姿态。

关键字

：四旋翼，建模，PID算法。

引言：

无人机的发展现状及未来趋势:

无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操

纵的不载人飞机。在军事上及民用上均有深入发展。军事上以其体积小、重量轻、

机动性好、飞行时间长和便于隐蔽为特点，适合于执行危险性大的任务，已逐渐

成为新世纪军事竞争的制高点之一，随着信息时代的发展，现代信息化战争正朝

着高精度，高杀伤，高重复利用，隐蔽性方面发展，无人机以其特殊优势很好适

应了未来战争中提出的要求，正发挥着越来越大的作用，成为军队实现信息化作

战及特种作战的有力武器。能研制高精尖无人机的国家屈指可数，其中美国处于

领先地位，作战无人机包括RQ-1捕食者”，”MQ-9“死神”(Reaper)，RQ-5“猎

手”等；侦察机包括RQ-4A“全球鹰”，RQ-8A“火力侦察兵”等。美国曾在伊

拉克战争，阿富汗战争中用无人机完成各种监视侦查，目标指示等任务，提供大

量情报支持，表现突出，有力的减小了美军伤亡，因此无人机受到美军军事部门

高度重视。现已发展至舰载无人机x-47b。中国无人机水平也处于世界领先水平，

以能研制各种功能齐全的无人机。如三角翼布局的暗剑无人机，和与捕食者无人

机相当的翼龙、彩虹系列无人机。其中彩虹系列无人机和翼龙系列无人机不但在

本国服役，还成功出口到中东及非洲国家，例如伊拉克，埃及，阿联酋。并在伊

拉克投入到对于极端组织的打击，完成了首次实战。在民用方面，无人机还广泛

用于农业，通信救灾，地形勘探等方面。如今互联网时代的到来，网购成为越来

越多90后的选择。无人机在快递行业局域光辉前景，无人机的发展将给快递行

业带来革命性变化。所以无人机行业的发展无论对于军队装备发展还是经济发展

均具有重要意义。

四旋翼无人机的特点：

1、机动性能，低空性能出色。能在城市，森林等复杂环境下完成各种任务。可

完成空中悬停监视侦查。实现对动力要地低，能在狭小空间穿行，能垂直起降，

对起降环境要求低。

2、对动力要求较小，产生的噪音低，隐蔽性高，安全性能出色。四旋翼无人机

采用四个马达提供动力，可使飞行更加稳定和精确。工作噪音小，军事上可提高

战场生存能力，民用上不会影响居民生活。

3、结构简单，运行、控制原理相对容易掌握。

4、成本较低，零件容易更换，维护方便。

5、功能强大，可完成情报获取，战场侦查，通信中继，目标跟踪，航拍成像，

抢险救灾，快递投送等任务。

四旋翼无人机的动力学模型：

模型假设:（如图）1、飞机视为刚体，运动过

程中不发生弹性形变。2、四个电机电流稳定，

提供升力相同。3、四根机翼正交安装，无人

机重心位于几何重心。4、飞行环境无风，无

较大气流扰动，忽略空气阻力影响。飞行原理：

调节四个电机旋翼转速，实现升力的变化，从

而控制飞行器的姿态。

四旋翼飞行器的电机 1和电机 3逆时针旋转

的同时，电机 2和电机 4顺时针旋转，消除

陀螺效应和空气动力扭矩效应飞行状态：

（1）垂直运动：同时增加四个电机的输出功

率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，克服整

机体重力使四旋翼飞行器离地垂直上升；反之，同时降低旋翼转速，四旋翼飞行

器则垂直下降。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，

飞行器保持悬停状态。

（2）俯仰运动：提高电机 1的转速，降低电机 3 的，电机 2、电机 4 的转速

保持不变。

（3）翻转运动：改变电机 2和电机 4的转速，保持电机1和电机 3的转速不

变。

（4）转向运动：保证对角线上的两个旋翼转动方向相同。当四个电机转速相同

时，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，引起四旋翼飞行

器转动。

（5）前后运动：提高电机 3转速，相应减小电机 1转速，同时保持其它两个电

机转速不变。

（6）侧向运动：提高电机 2或4的转速，相应减小电机4或2的转速，同时保

持其它两个电机转速不变。

模型建立：

地面坐标系的建立：

地面坐标系原点A固定在地面的某点，铅垂轴向上AZ为正，横轴AX与纵轴AY

水平面内互相垂直。用

表示飞行高度。

表示航程、表示侧向偏离(向右为正)、