旋翼无人机建模动力学公式整理

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了旋翼无人机建模动力学公式整理。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

飞行动力学公式

旋翼升力公式,无人机

C_T为升力系数,C_M为扭力系数,w为螺旋桨的转速


姿态动力学(旋转过程)

旋翼升力公式,无人机

如果是‘十’字型的飞机

旋翼升力公式,无人机

x,y,z轴的力矩为:

旋翼升力公式,无人机

d是机体中心到每个螺旋桨的距离,b是一个系数;

f=Ct*W^2,Ct——升力系数,W——螺旋桨的转速

惯量矩阵为:

旋翼升力公式,无人机

位置动力学(平移过程)

四个电机产生的力f1,f2,f3,f4,如果我们假设z轴向上为正,可以得到:

旋翼升力公式,无人机

这样是不是很简单,四个电机的力都是在z轴方向的,重力也是z轴方向的,但是电机产生的力是机体坐标系下的,我们分析的加速度是在地理坐标系下的所有我们需要加一步坐标变换,还记得我们的好朋友机体坐标系转地理坐标系的旋转矩阵吗?(c表示cos,sb表示sin)

旋翼升力公式,无人机

旋翼升力公式,无人机

然后我们就得到书上的公式了,什么?不太像!,简写一下就一样了,你看变成一个专业的微分方程了。

旋翼升力公式,无人机

得到:

旋翼升力公式,无人机

刚体运动欧拉方程

旋翼升力公式,无人机

  1. 刚体旋转运动中的转动惯量I 对应于直线运动中的质量m。为什么质量m是一个普通的标量,而转动惯量一般为一个 2×2 (在二维空间中旋转-在桌面上转一张A4纸)或者3×3(在三维空间中旋转-在指尖转篮球、或者在对机械臂进行建模时) 的矩阵呢。
  2. 欧拉方程的第一项:角加速度 与转动惯量 I 相乘似乎能够与牛二定律中的加速度a 与物体质量 m对应上,但是后面第二项又是什么呢?尤其是为什么这还是一个“速度项/或说成是转角的一阶项”——在牛二定律中我们可不包含位置的一阶项。

接下来对这两个问题进行解答。

关于第一个问题:

首先我们要弄清楚的是,牛二定律的研究对象是一个质点的运动。质点作为一个点,本身是0维的。“质量”是一个“点”的参数。

而考虑旋转运动时,自然不能把物体看作一个抽象的点。除了物体的总质量以外,物体的形状、质量分布、与旋转轴的选取等因素也决定了外力导致他们转动的难易程度。参照图一所示的偏心轮结构,可以想象即使在总质量相同的情况下,一个像偏心轮这样的扇型结构与一个质量分布均匀的完整圆盘相比,转动表现也截然不同。而如果考虑调整旋转轴的位置,偏心轮也可能像一个圆盘一样能够平稳的旋转。甚至我们还可以改变旋转的方向,像在桌子上转硬币一样转一个圆盘,所需的外力又是一种情况。从数学的角度来看,我们可以总结影响旋转的参数不仅有总质量,还有物体的质量分布与你选择的旋转轴。而你所选择的旋转轴可以被进一步抽象成你所选择的坐标系——你是圆盘像光碟放在桌子上一样,把垂直于盘面的方向当成z轴,还是像在桌面转硬币一样,把盘面上的某个直径当成z轴,甚至是更奇怪的一些选择。

旋翼升力公式,无人机

图一:常用来在工业生产中产生振动的偏心轮结构。偏心轮是质量极不均匀的半圆或者扇形结构,中间有孔用于链接电机。图片来源:https://www.sohu.com/a/233988206_574770。本文仅用于个人思路整理与知识分享,该图片的使用尚未联系原作者进行授权,如有侵权请联系我删除。

因此,在一个给定的坐标系下,物体的质量分布与不同旋转轴的选择都有影响。因此当我们选定一个三维坐标系时,物体在这个坐标系中旋转的性质的描述就需要一个 3×3 的张量来表达了(0维张量是点,一维是向量,二维是矩阵。还有更高维度的。但是虽然张量与向量、矩阵有类似的表现形式,但是张量与他们最核心的区别是:张量中的每个元素是相互制约的。比如在你选择不同的参考系时,这个转动惯量的张量要随着参考系或者物体质量分布的更改而一同更新,你对这其中任何一个元素的单独操作如果找不到与之对应的这个张量所整体描述的性质的变化时,这种操作会完全破坏掉张量所暗含的物理意义。因此张量与向量与矩阵的最核心的区别还可以被总结成,张量永远要作为一个整体理解,他这个整体代表一种性质。而向量和矩阵本身只能看做一种数据的表现形式而已。)

这一张量暗含着物体在这个坐标系中质量分布,与在任何一个方向、任何一个轴(不仅仅是绕着 xyz轴 )进行转动时,他所具有的性质。

关于第二个问题:

欧拉公式这两项分别合外力矩与惯性力(离心力和科里奥利)。

你想象一个匀速转动的圆盘。

第一项就是转盘加速要让圆盘上的每个质量元都要加速,那关于这个旋转轴(在这个旋转的惯性系里定义的旋转轴)的角加速度与在这个参考系下描述的转动惯量的点乘就是所需的合外力了——与牛二定律相似。

第二项就是惯性力,你可以考虑你拎着水桶转圈,你需要提供向心力;或者车轮胎重心和旋转轴不重合,会产生震动(车轮胎拉着轴晃来晃去——和图一偏心轮所表现出的工作模式一样)。你在匀速转动的时候就有这个惯性力,而且转的越快震动越大。正因为他代表着一种类似离心力的惯性力,所以你看他的形式类似于  ,就像高中学的向心力=  .只不过物体在圆盘上不仅受一个离心力,还受一个科里奥利力。离心力是沿着半径往外指的,科里奥利力是垂直于半径往切向指的。比如你想象一个小球从圆盘中心往外做匀速直线运动。但是你看他沿着半径往外运动以外,在世界坐标系中,他在切向的速度也随着运动增大,即 ,随着离圆心越来越远 r也增大。他的切向加速度逐渐线性增大就像受了一个力一样。但是科里奥利力和离心力都是假想力,而且只跟一阶的角速度有关。第二项的直接得到的一个矢量力就是包含了由于旋转速度-角速度(不是旋转加速度-角加速度)引起的离心力(法向)和科里奥利力(切向)的合力。因此欧拉方程描述了就是在世界参考系下面看旋转的惯性系里物体所需要受的惯性力和非惯性力的合力。

这里需要提醒一下大家,角速度w 的方向是沿着旋转轴的,因此根据叉乘的右手法则,第二项的惯性力是落在旋转物体“盘面”上的。这也符合我们对于离心力和科里奥利力的理解

旋翼升力公式,无人机角动量又称动量矩

旋翼升力公式,无人机文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-861547.html

到了这里,关于旋翼无人机建模动力学公式整理的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处: 如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请点击违法举报进行投诉反馈,一经查实,立即删除!

领支付宝红包 赞助服务器费用

相关文章

  • 四旋翼无人机建模 (附github源代码)

    四旋翼无人机的应用十分广泛,而且四旋翼无人机是非常理想的控制模型。因为四旋翼是四输入(四个螺旋桨的升力) 六输出 (三个位置,三个姿态角)的欠驱动系统,而且四旋翼的三个姿态角之间是互相耦合的,并且位置与姿态也是耦合的,加上其固有的非线性特性,因此对于

    2024年02月01日
    浏览(70)
  • 多旋翼无人机的软着陆,使用稳健的非线性控制和风力建模(Matlab代码实现)

     💥💥💞💞 欢迎来到本博客 ❤️❤️💥💥 🏆博主优势: 🌞🌞🌞 博客内容尽量做到思维缜密,逻辑清晰,为了方便读者。 ⛳️ 座右铭: 行百里者,半于九十。 📋📋📋 本文目录如下: 🎁🎁🎁 目录 💥1 概述 📚2 运行结果 2.1 Quadcopter wind SMC ground 2.2 Quadcopter wind

    2024年04月11日
    浏览(44)
  • 基于PID控制器的四旋翼无人机控制系统的simulink建模与仿真,并输出虚拟现实动画

    目录 1.课题概述 2.系统仿真结果 3.核心程序与模型 4.系统原理简介 4.1四旋翼无人机的动力学模型 4.2 PID控制器设计 4.3 姿态控制实现 4.4 VR虚拟现实动画展示 5.完整工程文件        基于PID控制器的四旋翼无人机控制系统的simulink建模与仿真,并输出vr虚拟现实动画,输出PID控制器

    2024年04月09日
    浏览(61)
  • 平面三自由度机器人动力学建模与仿真

    网上二自由度机器臂动力学分析有很多,三自由度比较少,碰巧本科课设需要完成相关项目,分享一些经验供参考。 实际的三连杆机器臂的结构相对较复杂,很难进行精确地描述,因此,在本文中利用简化的数学模型进行讨论。简化条件如下: 假设机器臂是刚性结构,不考

    2024年02月04日
    浏览(57)
  • 【工具篇】拉格朗日动力学建模及系统设置初值求变量

    机器人的动力学方程通常可以通过 牛顿-欧拉公式 或 拉格朗日动力学公式 得到。 关于机器人动力学是什么,可以参考Robitics公众号的这一系列文章干货 | 机械臂的动力学(二):拉格朗日法;或者在CSDN上找,资料很多,如机器人动力学——拉格朗日法 ——简单来说, 牛顿

    2024年02月07日
    浏览(41)
  • 建模分析 | 平面2R机器人(二连杆)运动学与动力学建模(附Matlab仿真)

    🔥附C++/Python/Matlab全套代码🔥课程设计、毕业设计、创新竞赛必备!详细介绍全局规划(图搜索、采样法、智能算法等);局部规划(DWA、APF等);曲线优化(贝塞尔曲线、B样条曲线等)。 🚀详情:图解自动驾驶中的运动规划(Motion Planning),附几十种规

    2024年02月05日
    浏览(69)
  • 单摆的动力学建模以及matlab仿真(牛顿法和拉格朗日方程法)

    有空再写 首先我们先确定广义坐标,并同时计算出来摆杆的转动惯量 接着列拉格朗日方程 计算动能(转动动能)  计算势能(取铰链处为零势能高度):  计算L 计算拉格朗日方程中的中间量   将上述的中间量带入拉格朗日方程,得到动力学模型: 变换一下形式:  当角

    2023年04月08日
    浏览(46)
  • 无人机基础知识:多旋翼无人机各模式控制框图

    无人机(Unmanned Aerial Vehicle),指的是一种由动力驱动的、无线遥控或自主飞行、机上无人驾驶并可重复使用的飞行器,飞机通过机载的计算机系统自动对飞行的平衡进行有效的控制,并通过预先设定或飞机自动生成的复杂航线进行飞行,并在飞行过程中自动执行相关任务和

    2023年04月09日
    浏览(138)
  • 旋翼无人机常用仿真工具

    简单的质点(也可以加上动力学姿态),用urdf模型在rviz中显示无人机和飞行轨迹、地图等。配合ROS代码使用,轻量化适合多机。典型的比如浙大ego-planner的仿真: https://github.com/ZJU-FAST-Lab/ego-planner-swarm.git https://github.com/ethz-asl/rotors_simulator 利用gazebo仿真,提供gazebo中的简单四

    2024年02月07日
    浏览(50)
  • 多旋翼无人机调试问题分析

    一、电机和螺旋桨检查 在多旋翼无人机的调试过程中,首先需要检查电机和螺旋桨的状态。电机应转动灵活,无卡滞现象,且无明显磨损。螺旋桨应安装牢固,无松动现象,且桨叶完好无损。若发现问题,应及时更换或维修。 二、电池和充电器检查 电池是无人机飞行的能量

    2024年01月24日
    浏览(63)

觉得文章有用就打赏一下文章作者

支付宝扫一扫打赏

博客赞助

微信扫一扫打赏

请作者喝杯咖啡吧~博客赞助

支付宝扫一扫领取红包,优惠每天领

二维码1

领取红包

二维码2

领红包