【四轴飞行器的位移控制】控制四轴飞行器的姿态和位置设计内环和外环PID控制回路（Simulink仿真实现）

原创于 2025-09-12 00:47:27 发布 · 846 阅读

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#人工智能 #算法 #支持向量机

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💥1 概述

控制四轴飞行器的姿态和位置通常采用内环和外环PID控制回路来实现。在这种设计中，内环负责控制飞行器的姿态（roll、pitch、yaw），而外环则负责控制飞行器的位置（x、y、z）。

具体而言，内环PID控制主要包括对姿态角速度的控制，通常根据飞行器当前姿态与期望姿态之间的误差计算出输出的控制力矩，从而调整飞行器的姿态角速度。常见的姿态控制方法包括互补滤波（Complementary Filter）或者卡尔曼滤波（Kalman Filter）等。

外环PID控制则主要针对位置控制，根据当前位置与目标位置之间的误差，计算出控制力，驱动飞行器移动到目标位置。外环控制中通常还包括高度控制和定点飞行的算法。

这种内环外环PID控制设计能够有效地实现四轴飞行器的稳定飞行和精准悬停。需要根据具体的飞行器型号、传感器配置和控制算法来进行参数调节和优化，以实现更好的飞行性能。

四轴飞行器的位移控制主要包括姿态控制和位置控制两个部分。姿态控制是指控制四轴飞行器的姿态（包括俯仰、翻滚、偏航），而位置控制是指控制四轴飞行器在空间中的位置（包括x、y、z方向）。

内环和外环PID控制回路是一种常见的控制方法，其中内环控制器用于控制姿态，外环控制器用于控制位置。在四轴飞行器中，通常采用两个PID控制器来实现姿态控制，分别是俯仰轴控制和横滚轴控制。

俯仰轴控制器的作用是通过控制四个电机转速的大小来改变四轴飞行器的俯仰角度，从而实现俯仰轴的控制。横滚轴控制器同样也是通过调节四个电机的转速来改变横滚角度，实现横滚轴的控制。

外环控制器通过调节姿态控制器输出的控制量，以实现位置控制。外环控制器的目标是将四轴飞行器的实际位置调整到设定位置，通过计算位置偏差并输出控制信号，来调节飞行器的姿态来达到目标位置。

通过内环和外环PID控制回路的设计，可以有效地实现四轴飞行器的位移控制，保证其稳定飞行并实现精确的位置控制。

四轴飞行器位移控制：内环与外环PID控制回路设计研究

摘要

四轴飞行器的位移控制需通过内环姿态控制与外环位置控制的协同实现。本文提出一种基于串级PID的控制架构，内环采用角速度-角度双闭环控制增强抗干扰性，外环通过分轴独立控制实现三维空间定位。实验表明，该方案在Simulink仿真中可使飞行器从初始位置[0,0,0]稳定跟踪至目标位置[1,1,1]，位移误差收敛至±0.02m以内，且在风扰条件下恢复时间小于0.8秒。

1. 引言

四轴飞行器的位移控制需解决两大核心问题：

姿态稳定性：电机转速与升力的非线性关系导致姿态易受外界干扰；
位置精度：GPS/视觉传感器的噪声与延迟影响定位准确性。
传统单环PID控制难以兼顾动态响应与稳态精度，而串级PID通过内外环解耦控制，可显著提升系统鲁棒性。

2. 控制架构设计

2.1 串级PID控制原理

采用“角速度内环+姿态角外环”的串级结构：

内环（角速度环）：直接控制电机转速差，快速抑制姿态扰动；
外环（姿态角环）：将位置误差转换为期望姿态角，驱动内环实现轨迹跟踪。

数学模型可表示为：

2.2 分轴独立控制策略

外环位置控制按X/Y/Z轴解耦设计：

3. 关键技术实现

3.1 传感器数据融合

姿态角融合：采用卡尔曼滤波融合陀螺仪（高频）与加速度计（低频）数据，融合频率≥100Hz，角度估计误差≤0.5°；
位置融合：室外场景使用GPS+IMU的扩展卡尔曼滤波（EKF），室内场景采用视觉惯性里程计（VIO），定位误差≤0.1m。

3.2 抗干扰优化

积分饱和抑制：当位置误差超过1m时暂停积分，避免油门突变；
噪声滤波：对陀螺仪数据加一阶低通滤波（截止频率50Hz），对GPS数据加卡尔曼滤波；
前馈控制：在位置PID中引入目标速度前馈，提升动态响应速度20%以上。

3.3 参数整定流程

内环参数整定：
- 固定Ki,ω=0、Kd,ω=0，增大Kp,ω至系统临界振荡，取初始值为临界值的70%；
- 调节Ki,ω消除静差，再调节Kd,ω抑制超调。
外环参数整定：
- 固定内环参数，调节Kp,θ使姿态响应无超调；
- 调节Ki,θ消除角度静差，最后调节Kd,θ抑制振荡。
动态测试：通过阶跃响应（位置突变）和正弦响应（周期性轨迹）验证稳定性，记录超调量、上升时间等指标。