基于MATLAB的四旋翼飞行器LQR控制系统设计与仿真

资 源 简 介

本项目提供完整的四旋翼飞行器控制系统解决方案，包含非线性动力学建模、状态空间线性化、LQR控制器设计及仿真验证。支持姿态稳定与位置跟踪控制，附带时域性能分析与稳定性验证工具，适用于无人机控制算法研究。

详 情 说 明

四旋翼飞行器线性二次调节器控制系统设计与仿真

项目介绍

本项目实现了四旋翼飞行器的非线性动力学建模、面向悬停状态线性化、LQR控制器设计、姿态与位置控制、系统性能分析及三维可视化仿真。通过线性二次最优控制理论，在悬停点附近建立线性状态空间模型，设计权重可调的LQR控制器，实现飞行器的稳定悬停与轨迹跟踪控制，并提供完整的性能验证与动态仿真界面。

功能特性

• 非线性动力学建模：基于牛顿-欧拉方程建立六自由度非线性数学模型
• 系统线性化处理：在悬停工作点进行雅可比线性化，得到状态空间表达式
• LQR控制器设计：通过求解代数Riccati方程获得最优控制增益矩阵
• 双环控制结构：外环位置控制与内环姿态控制的级联设计
• 性能分析评估：时域响应指标计算与系统稳定性验证
• 三维可视化仿真：实时动画展示飞行轨迹和控制器动态效果

使用方法

1. 参数配置：在相应模块中设置四旋翼物理参数、控制器权重矩阵和初始状态
2. 参考轨迹设定：输入期望的位置和姿态指令序列
3. 仿真执行：运行主程序启动控制系统仿真计算
4. 结果分析：查看状态响应曲线、控制输入信号和性能指标数据
5. 动画演示：启动三维可视化界面观察飞行器运动过程

系统要求

• MATLAB R2018b或更高版本
• Simulink仿真环境
• 需要安装Aerospace工具箱（用于四元数运算）
• 推荐4GB以上内存以保证三维动画流畅运行

文件说明

主程序文件实现了四旋翼模型参数初始化、非线性动力学方程定义、悬停点线性化处理、LQR控制器增益求解、闭环系统仿真计算、时域性能指标评估以及三维运动动画生成等核心功能。通过调用各功能模块完成从建模到仿真的完整流程，并整合所有输出结果进行统一展示。