【RotorS仿真系列】Ardrone模型介绍

ardrone是rotors仿真框架提供的一款机型，因为该机型与我们实际使用的机型参数相近，所以这里对它的参数做特别整理和记录。

一、模型参数总结

ardrone的gazebo模型如下图所示：

根据ardrone.yaml，其关键参数如下所示：

# Ardrone vehicle parameters
mass: 1.52
inertia: {xx: 0.0347563, xy: 0.0, xz: 0.0, yy: 0.0458929, yz: 0.0, zz: 0.0977}

# angle should be expressed in rad
# direction 1 means counter clockwise, -1 clockwise
# The order of the rotors matters for the calculation of the allocation matrix.
rotor_configuration:
  '0': {angle: -0.78539, arm_length: 0.18, rotor_force_constant: 8.54858e-06, rotor_moment_constant: 1.6e-2, direction: 1.0}
  '1': {angle: 2.35619, arm_length: 0.18, rotor_force_constant: 8.54858e-06, rotor_moment_constant: 1.6e-2, direction: 1.0}
  '2': {angle: 0.78539, arm_length: 0.18, rotor_force_constant: 8.54858e-06, rotor_moment_constant: 1.6e-2, direction: -1.0}
  '3': {angle: -2.35619, arm_length: 0.18, rotor_force_constant: 8.54858e-06, rotor_moment_constant: 1.6e-2, direction: -1.0}

更详细的参数可以参见ardrone.xacro文件。
其电机标号convention与PX4一致，如下图所示：

下图是PX4的电机标号和旋向：

control allocation matrix如下：
[ τ x τ y τ z F ] = [ c f d ⋅ sin θ 0 c f d ⋅ sin θ 1 c f d ⋅ sin θ 2 c f d ⋅ sin θ 3 − c f d ⋅ cos θ 0 − c f d ⋅ cos θ 1 − c f d ⋅ cos θ 2 − c f d ⋅ cos θ 3 n ⋅ c f c m n ⋅ c f c m n ⋅ c f c m n ⋅ c f c m c f c f c f c f ] [ ω 0 2 ω 1 2 ω 2 2 ω 3 2 ] \begin{bmatrix} \tau_x\\ \tau_y\\ \tau_z \\ F \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} c_fd\cdot\text{sin}\theta_0 & c_fd\cdot\text{sin}\theta_1 & c_fd\cdot\text{sin}\theta_2 & c_fd\cdot\text{sin}\theta_3 \\ -c_fd\cdot\text{cos}\theta_0 & -c_fd\cdot\text{cos}\theta_1 & -c_fd\cdot\text{cos}\theta_2 & -c_fd\cdot\text{cos}\theta_3 \\ n\cdot c_f c_m & n\cdot c_f c_m & n\cdot c_f c_m & n\cdot c_f c_m \\ c_f & c_f & c_f & c_f \end{bmatrix} \begin{bmatrix} {\omega_0}^2 \\ {\omega_1}^2 \\ {\omega_2}^2 \\ {\omega_3}^2 \end{bmatrix} ​τx​τy​τz​F​ ​= ​cf​d⋅sinθ0​−cf​d⋅cosθ0​n⋅cf​cm​cf​​cf​d⋅sinθ1​−cf​d⋅cosθ1​n⋅cf​cm​cf​​cf​d⋅sinθ2​−cf​d⋅cosθ2​n⋅cf​cm​cf​​cf​d⋅sinθ3​−cf​d⋅cosθ3​n⋅cf​cm​cf​​ ​ ​ω0​2ω1​2ω2​2ω3​2​ ​
其中$n$表示旋向（逆时针为1，顺时针为-1），$c_f$是拉力系数，$c_m$是力矩系数。这里力矩系数与其他文献或某些书籍可能不一致，但是在代码里是与其他参数一起配套使用是没有问题的。下面全权老师的课件，矩阵的第4行，用的是$c_M$，这里$c_M=c_f{c}_m$。因此，以后要注意自己用的参数对应的是什么公式。

二、存在的问题

注意！原始的ardrone.xacro和ardrone.yaml文件中，arm_length参数是有问题的，github上有网友也提出来了（Ardrone Arm Length And Stability #488）。修改方式有两种，以下二选一即可：

• ardrone.yaml的arm_length改为0.18（比如我上面的代码片）
• ardrone.yaml的arm_length改为0.18；且ardrone.xacro中的arm_length改为0.18，sqrt2（1.4142135623730951，$\sqrt{2}$）全部替换为sqrt2_inv（0.70710678119，$\frac{1}{\sqrt{2}}$）