MATLAB四轴飞行器动力学建模与控制系统仿真项目

资 源 简 介

本项目基于MATLAB实现了四轴飞行器的动力学建模、PID控制器设计、轨迹规划及实时可视化仿真。支持用户自定义飞行器物理参数与控制器参数，直观观察飞行器动态响应与轨迹跟踪效果，适用于无人系统控制和仿真教学。

详 情 说 明

四轴飞行器动力学建模与控制仿真系统

项目介绍

本项目是一个完整的四轴飞行器动力学建模与控制仿真平台。系统基于刚体动力学原理构建了飞行器的数学模型，设计了多环PID控制器实现姿态与位置控制，并提供了三维可视化仿真环境。用户可以灵活调整飞行器物理参数、控制器参数以及飞行指令，直观观察和分析飞行器的动态响应与控制性能。该项目旨在为飞行器控制算法的学习、验证和教学演示提供支持。

功能特性

• 高保真动力学模型：基于牛顿-欧拉方程建立飞行器的六自由度刚体动力学模型，充分考虑质量、转动惯量、电机推力与扭矩等物理参数的影响。
• 分层控制架构：采用内外环控制结构，内环（姿态环）快速稳定飞行器姿态，外环（位置环）实现精确位置控制。控制器采用PID算法，参数可调。
• 多样化飞行模式：支持悬停、定点飞行、自定义轨迹跟踪等多种飞行任务。用户可设定目标姿态角、位置坐标或通过函数定义复杂飞行轨迹。
• 实时可视化仿真：提供实时的三维动画显示，直观展示飞行器的姿态变化与空间轨迹。同时绘制关键的时域响应曲线（姿态、位置、控制量等）。
• 性能定量分析：仿真结束后自动计算并展示控制系统的性能指标，如稳态误差、超调量、调节时间等，便于控制器优化与效果评估。
• 参数灵活配置：允许用户便捷地修改飞行器模型参数、控制器PID增益以及环境参数（如重力、空气阻力），探究参数对系统动态特性的影响。

使用方法

1. 参数设置：在运行主仿真程序前，根据需要在对应的参数初始化区域设置或修改飞行器物理参数、PID控制器增益以及期望的飞行目标（如悬停点或轨迹函数）。
2. 运行仿真：执行主程序文件启动仿真。系统将依据设定的参数进行数值积分，求解飞行器的运动状态。
3. 结果观察：仿真过程中及结束后，系统将自动弹出图形窗口。

* 曲线图：显示姿态角（滚转、俯仰、偏航）、三维位置坐标、各电机推力等关键变量随时间的变化历程。 * 三维动画：在一个动态三维空间中展示飞行器的实时飞行姿态和轨迹。

1. 分析优化：根据输出的响应曲线和性能指标，调整控制器参数或飞行器参数，重新运行仿真以观察控制效果的改善情况。

系统要求

• 操作系统：Windows / macOS / Linux
• 软件环境：MATLAB R2018b 或更高版本
• 必要工具包：MATLAB 基础安装即可运行，无需特殊工具箱。

文件说明

主程序文件集成了仿真系统的核心流程，其功能包括：定义并初始化飞行器的物理参数与控制参数；实现飞行器非线性动力学模型的数值求解过程；完成姿态控制器和位置控制器的PID控制律计算；协调仿真时间步进与数据记录；调用图形绘制函数生成姿态曲线、位置曲线以及三维飞行轨迹动画；并在仿真结束后进行数据分析与性能指标计算。