【无人机设计与技术】设计内部和外部 PID 回路,用于控制四轴飞行器的姿态和位移

摘要

本文设计了一个用于四轴飞行器控制的内部和外部PID回路。外部PID回路控制飞行器的位移,而内部PID回路则用于控制飞行器的姿态。这种控制结构能够有效调节飞行器的姿态和位移,实现平稳飞行并响应给定的轨迹。通过Simulink仿真模型对控制效果进行了验证,结果显示该设计能够稳定飞行器并具有较好的动态响应和稳态误差特性。

理论

四轴飞行器具有复杂的非线性和耦合特性,因此控制其姿态和位移是一项具有挑战性的任务。通过将控制器分为两个PID回路,外部回路控制位置,而内部回路控制姿态,可以有效地分解控制任务。

姿态控制(内部PID回路):姿态角度包括偏航角(Yaw, ψ)、俯仰角(Pitch, θ)和横滚角(Roll, φ)。内部PID控制器的任务是调节这些角度,使得飞行器的姿态稳定。姿态控制器的输入是期望角度和实际角度之间的误差。

位置控制(外部PID回路):位置控制用于调节飞行器在空间中的位置(x, y, z)。通过将期望位置和实际位置之间的误差输入外部PID控制器,生成所需的姿态角度作为内部PID控制器的输入。

PID控制器的公式如下:

实验结果

通过MATLAB Simulink模型进行仿真,飞行器能够稳定在设定的姿态和位移上。下图展示了飞行器在不同时间点的姿态和位移响应。该控制系统的动态响应具有良好的稳定性,且稳态误差较小。飞行器能够跟踪给定的轨迹,姿态角度和位移误差控制在合理范围内。

姿态响应:仿真结果显示,偏航、俯仰和横滚角度能够迅速达到稳定状态,并且稳态误差接近于零。 位移响应:位移响应同样表现出良好的动态特性,飞行器能够按照给定的轨迹移动,且位移误差较小。

部分代码

以下是用于四轴飞行器姿态和位移控制的部分MATLAB代码:

复制代码
% 定义系统参数
Kp_attitude = 1.5;
Ki_attitude = 0.1;
Kd_attitude = 0.5;

Kp_position = 2.0;
Ki_position = 0.2;
Kd_position = 0.6;

% 姿态控制器(内部回路)
phi_error = phi_d - phi;
theta_error = theta_d - theta;
psi_error = psi_d - psi;

u_phi = Kp_attitude * phi_error + Ki_attitude * integral(phi_error) + Kd_attitude * derivative(phi_error);
u_theta = Kp_attitude * theta_error + Ki_attitude * integral(theta_error) + Kd_attitude * derivative(theta_error);
u_psi = Kp_attitude * psi_error + Ki_attitude * integral(psi_error) + Kd_attitude * derivative(psi_error);

% 位置控制器(外部回路)
x_error = x_d - x;
y_error = y_d - y;
z_error = z_d - z;

u_x = Kp_position * x_error + Ki_position * integral(x_error) + Kd_position * derivative(x_error);
u_y = Kp_position * y_error + Ki_position * integral(y_error) + Kd_position * derivative(y_error);
u_z = Kp_position * z_error + Ki_position * integral(z_error) + Kd_position * derivative(z_error);

% 将控制信号输入飞行器模型
QuadcopterModel(u_phi, u_theta, u_psi, u_x, u_y, u_z);

参考文献

❝

  1. Bouabdallah, S., Murrieri, P., & Siegwart, R. (2004). Design and control of an indoor micro quadrotor. Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 3, 4393-4398.

  2. Castillo, P., Lozano, R., & Dzul, A. (2005). Modelling and control of mini-flying machines. Springer. Pounds, P., Mahony, R., & Corke, P. (2006). Modelling and control of a quad-rotor robot. Proceedings of the 2006 Australasian Conference on Robotics and Automation (ACRA), 44(4), 299-308.

相关推荐
蓝悦无人机9 小时前
【航空科普】飞机为什么能飞?机身、机翼、尾翼、发动机、起落架
无人机·航空科普
GlobalInfo12 小时前
2026-2032年工业无人机测绘服务产业链及前景趋势报告:产业洞察、十五五路径与市场竞争格局
人工智能·无人机
湖北英特丽15 小时前
工业级无人机 PCBA 工艺管控全解析:从 DFM 到量产落地
无人机
moonsims16 小时前
AiBrainBox 多域有人/无人协同智能系统-从端侧智能到多域协同的国产化验证基础设施
人工智能·无人机
2035去旅行16 小时前
国内无人机厂家的硬件架构和 SDK
无人机
Gongsion1 天前
30V输入耐压|1.5μA超低静态电流|200mA输出,CSM52系列:线性稳压器LDO,12V母线转3.3V/5V传感器、MCU弱电支路可靠稳压方案
单片机·嵌入式硬件·车载系统·无人机·智能家居
moonsims1 天前
面向高危现场作业空间安全智能节点AiBrainBox-S:多模态空间融合、动态风险区、身份-视觉轨迹关联、设备级实时安全推理
人工智能·数码相机·无人机
小O的算法实验室1 天前
IEEE TVT,基于区域划分与改进DBO算法的多传感器分布式协同搜索路径规划
无人机
深蓝学院1 天前
浙大高飞团队DiffWAM:不生成视频也能导航,机载延迟1.08秒,让无人机导航更快更轻
无人机·高飞
Multipath7122 天前
多链路聚合设备:助力智慧农业发展的网络基石——让农田网络不断连,让智能设备不失控
网络·网络协议·5g·udp·无人机