目录

1.课题概述

2.系统仿真结果

3.核心程序或模型

4.系统原理简介

4.1 位置环

4.2 姿态环

4.3 速率环

4.4 无人机模型

5.完整工程文件

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1.课题概述

       串级PID是无人机主流控制架构，通过位置环、姿态环、角速度速率环三级嵌套，实现从目标定位到电机输出的分层控制，内环快速抗扰、外环精准定姿定位，整体稳定性与响应速度远优于单级PID。

2.系统仿真结果

3.核心程序或模型

版本：Matlab2024b

% 四旋翼无人机动力学模型函数
% 功能：基于输入的控制量(U1-U4)，解算无人机的位置、速度、加速度、姿态角、角速度等状态量
function out = func_model(in)
% 输入参数：
%   in - 输入数组，各维度含义：
%        in(1): U1（总升力控制量）
%        in(2): U2（横滚力矩控制量）
%        in(3): U3（俯仰力矩控制量）
%        in(4): U4（偏航力矩控制量）
% 输出参数：
%   out - 输出数组，包含无人机关键状态（地理坐标系）：
%        out(1): X_GF（X轴位置）
%        out(2): Y_GF（Y轴位置）
%        out(3): Z_GF（Z轴位置）
%        out(4): roll（横滚角，度）
%        out(5): pitch（俯仰角，度）
%        out(6): yaw（偏航角，度）

% 从输入数组提取总升力控制量U1~U4
U1 = in(1);
U2 = in(2);
U3 = in(3);
U4 = in(4);
global sys;

% 姿态角更新（前向欧拉积分） 
sys.roll    = roll_d *sys.Tm + sys.roll;
sys.pitch   = pitch_d * sys.Tm + sys.pitch;
sys.yaw     = yaw_d * sys.Tm + sys.yaw;

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4.系统原理简介

本系统是一个典型的串级PID控制架构，从外到内分为三层闭环：

位置环（外环）：根据目标位置与实际位置偏差，生成期望姿态角

姿态环（中环）：根据期望姿态与实际姿态偏差，生成期望角速度

速率环（内环）：根据期望角速度与实际角速度偏差，生成控制量输入无人机模型

4.1 位置环

        将目标位置(Xref​,Yref​,Zref​)与实际位置(X,Y,Z)的偏差，转换为期望姿态角(滚转ϕdes​、俯仰θdes​)与期望高度Zref,BF​。

水平位置(X/Y)：通过PID控制器将位置误差映射为姿态角指令，实现水平位移控制;

高度(Z)：通过PID控制器将高度误差映射为总推力指令U1​，实现垂直位置控制;

4.2 姿态环

       将位置环输出的期望姿态(ϕref​,θref​,ψref​)与实际姿态(ϕ,θ,ψ)的偏差，转换为期望角速度(pref​,qref​,rref​)。

滚转/俯仰：PID控制姿态角误差，输出对应轴角速度指令;

偏航：PID控制偏航角误差，输出偏航角速度指令;

4.3 速率环

       将姿态环输出的期望角速度(pref​,qref​,rref​)与实际角速度(p,q,r)的偏差，转换为无人机执行机构控制量 (U2​,U3​,U4​)。

内环直接控制角速度，响应速度最快，抑制姿态环的扰动，保证系统快速稳定;

4.4 无人机模型

接收控制量(U1​,U2​,U3​,U4​)，输出无人机实际位置(X,Y,Z)与姿态(ϕ,θ,ψ)，完成控制闭环。

5.完整工程文件

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