【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控制回路附Simulink仿真

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🔥 内容介绍

三、外环位置控制 PID 回路设计

2. PID 控制结构（分轴独立控制：X 轴 / Y 轴 / Z 轴）

外环按 “X/Y 轴平面位置” 和 “Z 轴高度” 分轴设计 PID，其中 X/Y 轴通过控制滚转角 φ 和俯仰角 θ 实现位置调整，Z 轴直接控制油门 Thr，具体设计如下：

四、关键技术要点与优化

1. 传感器数据融合

• 姿态角融合：用卡尔曼滤波融合陀螺仪（高频但有漂移）与加速度计（低频但稳定）数据，提升姿态角精度（融合频率≥100Hz）；

• 位置融合：室外用GPS+IMU 组合导航（EKF 滤波），室内用视觉 + IMU 融合（如 VIO），解决单一传感器噪声或遮挡问题。

2. 抗干扰与鲁棒性优化

• 积分饱和抑制：在 PID 中增加积分分离（如位置偏差超过 1m 时暂停积分）或积分限幅，避免姿态 / 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 50-100Hz），对 GPS / 视觉位置数据加卡尔曼滤波，减少高频噪声对 PID 的影响；

• 前馈控制：在位置 PID 中加入速度前馈（如目标位置变化时，根据目标速度提前调整姿态指令），提升动态响应速度。

3. 参数整定流程

1. 内环先整定：断开外环，给内环输入固定姿态角指令（如 φ*=10°），先调角速度内环 PID（固定 Ki_omega=0、Kd_omega=0，增大 Kp_omega 至临界震荡，再取 70% 为初始值；再调 Ki_omega 至静差消除；最后调 Kd_omega 至震荡抑制），再调姿态角外环 PID；

1. 外环后整定：内环参数固定后，给外环输入固定位置指令（如 X*=2m），先调 Kp（至位置响应无明显超调），再调 Ki（至静差消除），最后调 Kd（至震荡抑制）；

1. 动态测试：通过阶跃响应（位置 / 姿态指令突变）和正弦响应（目标位置周期性变化）验证系统稳定性，记录超调量、上升时间、稳态误差，迭代优化参数。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 徐大远,王英健,陈冠军,等.四轴飞行器的动力学建模和位置控制研究[J].电子科技, 2015, 28(1):4.DOI:JournalArticle/5b3b7a8fc095d70f0077cd2c.

[2] 付佳贺.小型四轴飞行器自主飞行控制系统的设计与实现[D].电子科技大学,2015.DOI:10.7666/d.D663532.

[3] 胡琦逸.四旋翼飞行器的姿态估计与优化控制研究[D].杭州电子科技大学,2014.

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