【无人机控制】基于PID的垂直起降双旋翼无人机simulink实现

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🔥 内容介绍

垂直起降双旋翼无人机凭借结构紧凑、操作灵活、能在狭小空间完成起降等优势，在低空侦察、物资运输、电力巡检等领域得到广泛应用。其飞行姿态和位置的精确控制是实现复杂任务的核心，而 PID 控制算法因结构简单、鲁棒性强、易于工程实现，成为该类无人机的主流控制方案。本文将围绕基于 PID 的垂直起降双旋翼无人机控制展开研究，从系统结构与控制需求、PID 控制策略设计、系统实现与参数整定到性能验证进行全面分析。

一、垂直起降双旋翼无人机系统结构与控制需求

（一）系统结构组成

垂直起降双旋翼无人机主要由机身框架、动力系统、传感器系统和控制系统四部分组成。

1. 机身框架：采用对称式结构，两个旋翼分别安装在机身两侧，通过调节旋翼转速差实现偏航运动，共同调节转速总和实现升降运动。框架材料需兼具轻量化和高强度特性，如碳纤维复合材料，以减少自身重量对飞行性能的影响。

1. 动力系统：包括无刷电机、螺旋桨和电子调速器（ESC）。无刷电机提供旋转动力，螺旋桨将电机的旋转运动转化为升力，电子调速器根据控制系统指令调节电机转速。例如，采用 KV 值为 1000 的无刷电机搭配 10 英寸螺旋桨，可提供足够的升力支持无人机负载。

1. 传感器系统：用于获取无人机的飞行状态信息，主要包括：

• 惯性测量单元（IMU）：由加速度计和陀螺仪组成，测量无人机的加速度和角速度，用于计算姿态角（俯仰角、横滚角、偏航角）；

• 气压计：测量大气压力，换算得到飞行高度；

• GPS 模块：在室外环境下提供位置信息（经度、纬度）；

• 超声波传感器或激光雷达：用于低空高度精确测量和避障。

1. 控制系统：以微控制器（如 STM32、Arduino Mega）为核心，接收传感器数据，运行控制算法计算控制量，通过电子调速器控制电机转速，实现对无人机的稳定控制。

（二）控制需求分析

垂直起降双旋翼无人机的飞行过程包括起飞、悬停、姿态调整、位置移动和降落等阶段，不同阶段对控制性能的要求有所侧重：

1. 稳定性：在悬停和巡航阶段，需保持无人机姿态稳定，姿态角偏差控制在 ±2° 以内，高度偏差控制在 ±0.1m 以内，防止无人机晃动或坠落。

1. 快速响应性：在姿态调整和位置移动阶段，当接收到控制指令（如改变俯仰角、移动位置）时，无人机应能快速响应，例如从悬停状态到俯仰角达到 10° 的时间应小于 1s。

1. 抗干扰能力：能抵御外界风扰、负载变化等干扰，如在 3 级风力作用下，仍能保持稳定悬停，位置偏移不超过 0.5m。

1. 平滑性：控制过程中电机转速变化应平滑，避免剧烈波动，以减少机械磨损和能量消耗。

⛳️ 运行结果

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