四旋翼无人机在现代航空航天、物流配送、环境监测等领域具有广泛应用，其飞行轨迹的精准跟踪是提高自主导航能力的关键问题。本文基于经典 PID（比例-积分-微分）控制策略，设计了一套完整的四旋翼无人机轨迹跟踪控制系统。首先，建立四旋翼无人机的动力学和运动学模型，并分析其非线性特性。其次，采用 位置-姿态双层PID控制架构，其中外环位置控制器用于生成期望姿态，内环姿态控制器用于调节无人机的姿态响应，从而实现精准的轨迹跟踪。
项目信息
编号：MOG-115
大小：5.5M
运行条件
Matlab开发环境版本：
– Matlab R2020b、2023b、2024b
项目介绍
四旋翼无人机在现代航空航天、物流配送、环境监测等领域具有广泛应用，其飞行轨迹的精准跟踪是提高自主导航能力的关键问题。本文基于经典 PID（比例-积分-微分）控制策略，设计了一套完整的四旋翼无人机轨迹跟踪控制系统。首先，建立四旋翼无人机的动力学和运动学模型，并分析其非线性特性。其次，采用 位置-姿态双层PID控制架构，其中外环位置控制器用于生成期望姿态，内环姿态控制器用于调节无人机的姿态响应，从而实现精准的轨迹跟踪。
为了验证控制策略的有效性，本文利用 MATLAB/Simulink 进行仿真，并通过 3D 轨迹跟踪、状态响应分析、控制输入变化以及误差分析等多方面进行评估。仿真结果表明，PID 控制器能够有效跟踪设定轨迹，使无人机在 x、y、z 三个方向上的位置误差保持在较小范围内，并快速收敛，同时姿态误差得到有效抑制。该研究为四旋翼无人机的自动控制与工程应用提供了参考，并可进一步扩展到智能控制优化（如自适应PID、LQR、MPC等） 以及 复杂环境中的鲁棒控制 研究。
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运行效果
函数调用关系
quad_PD_control_2018b.slx调用position_control.m 计算无人机位置误差，输出期望姿态
position_control.m调用attitude_control.m 计算无人机姿态误差，输出角速度控制信号
attitude_control.m调用dThtdPhidPsi2pqr.m 将姿态角速率转换为角速度
attitude_control.m调用pqr2dThtdPhidPsi.m 角速度转换回姿态角速率
quad_PD_control_2018b.slx调用model.m 计算无人机动力学响应
model.m params.m调用读取无人机参数（质量、惯性矩等）
quad_PD_control_2018b.slx调用plot_quadrotor_3D.m 绘制 3D 轨迹
quad_PD_control_2018b.slx调用plot_state.m 绘制状态变量随时间变化曲线
运行 quad_PD_control_2018b.slx
1. Simulink 模型
第一张图显示的是四旋翼无人机的 PID 控制框架，包含 轨迹规划、位置控制、姿态控制 和 动力学模型 等模块。
其中，位置控制器 和 姿态控制器 采用了 PID（或其变体，如 PD 控制）。
反馈回路清晰，包含 误差计算、控制信号计算、执行器动态响应，符合典型的四旋翼控制架构。
2. 3D 轨迹跟踪
第二张图展示了 MATLAB 3D 轨迹跟踪结果，红色轨迹是期望轨迹，黑色轨迹是实际无人机运动轨迹。
轨迹误差较小，说明 PID 控制效果较好。
3. 状态跟踪分析
第三张图展示了各个状态（位置、角度）随时间的变化情况，参考轨迹（红色）与实际测量值（绿色）基本一致，误差较小。
4. 控制输入
第四张图展示了推力（Thrust）、滚动力矩、俯仰力矩和偏航力矩的变化趋势，反映了 PID 控制对无人机的操纵作用。
5. 误差分析
第五张图给出了误差信号（位置和偏航角）的随时间变化情况。误差总体较小且收敛，说明 PID 控制器的调节是有效的。
远程部署
Tipps：购买后可免费协助安装，确保运行成功。
– 远程工具：Todesk 、向日葵远程控制软件
– 操作系统：Windows OS
项目文件
文件目录
Tipps：完整项目文件清单如下：
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