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无人机飞行控制程序设计与运动参数求解(MATLAB实现)

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用户4006703
发布2025-10-17 12:57:17
发布2025-10-17 12:57:17
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无人机飞行控制程序设计与运动参数求解(MATLAB实现)

一、动力学建模基础

无人机运动参数计算需基于六自由度(6-DOF)刚体动力学模型,包含平移与旋转运动。

核心方程如下:

1. 牛顿-欧拉方程

  • 平动方程 F=m⋅r¨
  • 转动方程τ=I⋅ω˙+ω×(I⋅ω) 其中,F为合外力,τ为合外力矩,I为惯性张量。

2. 运动学方程

  • 姿态更新(四元数法): q˙=21q⊗ω 四元数 q=[qw,qx,qy,qz] 用于避免欧拉角万向节锁问题。

二、MATLAB仿真框架
代码语言:matlab
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%% 参数定义
m = 1.5;        % 质量 (kg)
g = 9.81;       % 重力加速度 (m/s²)
I = diag([0.082, 0.084, 0.138]);  % 惯性矩阵 (kg·m²)
dt = 0.01;      % 时间步长 (s)
​
%% 状态变量初始化
state = [0; 0; 2;   % 位置 (x,y,z)
         0; 0; 0;   % 速度 (vx,vy,vz)
         0; 0; 0;   % 欧拉角 (phi,theta,psi)
         0; 0; 0];  % 角速度 (p,q,r)
​
%% 控制输入(PID控制器)
Kp_att = [5,5,5];  % 姿态PID比例系数
Ki_att = [0.1,0.1,0.1];
Kd_att = [0.5,0.5,0.5];
​
%% 仿真循环
t = 0:dt:10;
states = zeros(length(t), 12);
states(1,:) = state;
​
for i = 1:length(t)-1
    % 计算控制输入(示例:悬停控制)
    thrust = m*g;  % 垂直推力平衡重力
    tau = [0; 0; thrust*l - 0.1*state(9)];  % 力矩计算(l为力臂)
    
    % 数值积分(欧拉法)
    dstate = dynamics(state, tau, I, m, g);
    state = state + dstate*dt;
    states(i+1,:) = state;
end
​
%% 可视化
plot3(states(:,1), states(:,2), states(:,3));
xlabel('X (m)'); ylabel('Y (m)'); zlabel('Z (m)');
title('无人机飞行轨迹');
​
%% 动力学方程函数
function dstate = dynamics(state, tau, I, m, g)
    % 解包状态变量
    x = state(1:3);
    v = state(4:6);
    phi = state(7); theta = state(8); psi = state(9);
    p = state(10); q = state(11); r = state(12);
    
    % 平动方程
    F_gravity = [0; 0; -m*g];
    F_total = [0; 0; thrust] + F_gravity;
    dvdt = F_total/m;
    
    % 旋转矩阵(从机体到惯性坐标系)
    R = rotation_matrix(phi, theta, psi);
    
    % 转动方程
    I_inv = inv(I);
    angular_accel = I_inv*(tau - cross(R*p, I*R*p));
    dpdt = angular_accel(1);
    dqdt = angular_accel(2);
    drdt = angular_accel(3);
    
    % 运动学更新
    dphidt = p + q*sin(phi)*tan(theta) + r*cos(phi)*tan(theta);
    dthetadt = q*cos(phi) - r*sin(phi);
    dpsidt = (q*sin(phi) + r*cos(phi))/cos(theta);
    
    % 组合导数
    dstate = [dvdt; angular_accel; dphidt; dthetadt; dpsidt];
end
​
%% 旋转矩阵生成函数
function R = rotation_matrix(phi, theta, psi)
    % Z-Y-X欧拉角旋转矩阵
    Rx = [1 0 0; 0 cos(phi) -sin(phi); 0 sin(phi) cos(phi)];
    Ry = [cos(theta) 0 sin(theta); 0 1 0; -sin(theta) 0 cos(theta)];
    Rz = [cos(psi) -sin(psi) 0; sin(psi) cos(psi) 0; 0 0 1];
    R = Rz * Ry * Rx;
end

三、控制算法集成

1. PID控制器设计

代码语言:matlab
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% 姿态控制(以俯仰角为例)
error = theta_des - theta;
integral = integral + error*dt;
derivative = (error - prev_error)/dt;
tau_pitch = Kp_att(2)*error + Ki_att(2)*integral + Kd_att(2)*derivative;

2. LQR控制器优化

代码语言:matlab
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% 状态空间模型
A = [0 0 0 1 0 0 0 0 0;
     0 0 0 0 1 0 0 0 0;
     0 0 0 0 0 1 0 0 0;
     0 0 0 0 0 0 0 0 0;
     0 0 0 0 0 0 0 0 0;
     0 0 0 0 0 0 0 0 0;
     0 0 0 0 0 0 0 0 0;
     0 0 0 0 0 0 0 0 0;
     0 0 0 0 0 0 0 0 0];
B = [0;0;0;0;0;0;0;0;1/m];
Q = diag([100,100,100,1,1,1,0,0,0]);
R = 0.1;
[K,S,e] = lqr(A,B,Q,R);

四、仿真结果分析

1. 典型输出曲线

  • 位置轨迹:三维空间中的飞行路径(如螺旋上升、八字形轨迹)
  • 姿态角变化:俯仰角、滚转角随时间的变化曲线
  • 控制输入:电机转速或舵机偏转角度的时域波形

2. 性能指标

指标

计算公式

优化目标

位置误差

RMSE=N1∑(xdes−xact)2

最小化

姿态跟踪精度

角度误差积分(IAE)

最小化

控制输入平滑度

Jerk=dtdu

最小化


五、复杂场景扩展

1. 风扰动模型

代码语言:matlab
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% 恒定风场
wind = [2, 0, 0];  % 东向风速2m/s
v_true = v + wind;

2. 传感器噪声

代码语言:matlab
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% 添加高斯噪声
noise_level = 0.1;
accel_noise = noise_level * randn(size(accel));

3. 多机协同

代码语言:matlab
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% 领航-跟随策略
for i = 2:num_drones
    relative_pos = drones(i).pos - drones(1).pos;
    desired_heading = atan2(relative_pos(2), relative_pos(1));
    tau_yaw = Kp_yaw * (desired_heading - drones(i).psi);
end

参考代码 无人机飞行控制程序 www.youwenfan.com/contentted/53537.html

总结

通过MATLAB实现无人机运动参数求解需结合动力学建模与控制算法设计。六自由度模型提供精确的运动描述,PID/LQR等控制方法可有效跟踪期望轨迹。实际应用中需考虑风扰、噪声等非理想因素,并通过数值积分优化和实时性改进提升仿真精度。该框架为无人机算法开发、性能评估及教学演示提供了完整解决方案。

原创声明:本文系作者授权腾讯云开发者社区发表,未经许可,不得转载。

如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

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目录
  • 一、动力学建模基础
  • 二、MATLAB仿真框架
  • 三、控制算法集成
  • 四、仿真结果分析
  • 五、复杂场景扩展
  • 总结
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