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【无人机控制】基于T-S模糊模型的四旋翼无人机非线性系统跟踪控制附matlab代码

2026-02-03 45
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简介： ✅作者简介：热爱数据处理、建模、算法设计的Matlab仿真开发者。🍎更多Matlab代码及仿真咨询内容点击 🔗：Matlab科研工作室🍊个人信条：格物致知,完整Matlab代码获取及仿真咨询内容私信。👇 关注我领取海量matlab电子书和数学建模资料 图片🔥内容介绍一、引言：四旋翼无人机的非线性控制挑战四旋翼无人机是典型的欠驱动非线性系统，其动力学模型受空气阻力、姿态耦合、外部扰动（如风速）等因素影响，呈现强非线性、强耦合特性。传统线性控制方法（如 PID）在大姿态角、快速机动场景下难以保证跟踪精度，而 T-S（Takagi-Sugeno）模糊模型通过

✅作者简介：热爱数据处理、建模、算法设计的Matlab仿真开发者。

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🔥内容介绍

一、引言：四旋翼无人机的非线性控制挑战

四旋翼无人机是典型的欠驱动非线性系统，其动力学模型受空气阻力、姿态耦合、外部扰动（如风速）等因素影响，呈现强非线性、强耦合特性。传统线性控制方法（如 PID）在大姿态角、快速机动场景下难以保证跟踪精度，而 T-S（Takagi-Sugeno）模糊模型通过 “模糊规则将非线性系统分解为多个局部线性模型的加权组合”，为非线性跟踪控制提供了高效解决方案 —— 既保留非线性系统的全局特性，又可利用线性控制理论简化控制器设计。

二、1. 四旋翼无人机非线性动力学建模基础

核心动力学特性

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🔥运行结果

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🔥部分代码

x_atti     =  UAV_Result.x_atti;                                        % [-] Real attitude

xhat_atti  =  UAV_Result.xhat_atti;                                     % [-] Estimated attitude



x_alti     =  UAV_Result.x_alti;                                        % [-] Real altitude

xhat_alti  =  UAV_Result.xhat_alti;                                     % [-] Estimated altitude



x_posi     =  UAV_Result.x_posi;                                        % [-] Real position

xhat_posi  =  UAV_Result.xhat_posi;                                     % [-] Estimated position



xr_atti    =  UAV_Result.xr_atti;

xr_alti    =  UAV_Result.xr_alti;

xr_posi    =  UAV_Result.xr_posi;



Quadrotor  =  UAV_Result.Quadrotor;                                                       



% figure(1)

% plot(T_posi,member_w1,'LineWidth',2.5); 

% hold on; 

% plot(T_posi,member_w2,'LineWidth',2.5); 

% hold on; grid on;

% legend('$w_1(k)$','$w_2(k)$','interpreter','latex')



% figure(2)

% plot(T_atti,xhat_atti(1,:)*180/pi,'LineWidth',2.5); 

% hold on; 

% plot(T_atti,xhat_atti(3,:)*180/pi,'LineWidth',2.5); 

% hold on; 

% plot(T_atti,xhat_atti(5,:)*180/pi,'LineWidth',2.5); 

% hold on;

% plot(T_atti,xr_atti(1,:)*180/pi,'-.','LineWidth',2.5); 

% hold on; 

% plot(T_atti,xr_atti(3,:)*180/pi,'-.','LineWidth',2.5); 

% hold on; 

% plot(T_atti,xr_atti(5,:)*180/pi,'-.','LineWidth',2.5); 

% hold on; grid on;

% legend('$\hat{\phi}(k)$','$\hat{\theta}(k)$','$\hat{\psi}(k)$','$\phi_r(k)$','$\theta_r(k)$','$\psi_r(k)$','interpreter','latex','Fontsize',12)

% xlabel('Time [s]')

% ylabel('Angle [degree]')

% 

% figure(3)

% plot(T_posi,xr_alti(1,:),'Color',"#0072BD",'LineWidth',2.5); 

% hold on; 

% plot(T_posi,xhat_alti(1,:),'-.','LineWidth',2.5); 

% hold on; grid on;

% 

% figure(4)

% plot3(xhat_posi(1,:),xhat_posi(2,:),xhat_alti(1,:),'LineWidth',2.5); hold on;

% plot3(xr_posi(1,:),xr_posi(2,:),xr_alti(1,:),'-.','LineWidth',2.5); hold on; grid on;

% xlim([-1 15])

% ylim([-1 15])

% zlim([0 50])

% xlabel('X Position [m]')

% ylabel('Y Position [m]')

% zlabel('Z Position [m]')





if mode == 0

elseif mode == 1



    drone1      =  Quadrotor{1};

    drone2      =  Quadrotor{2};

    drone3      =  Quadrotor{3};

    drone4      =  Quadrotor{4};



    x_init      =  0;

    y_init      =  0;

    z_init      =  0;



    X_Position  =  xhat_posi(1,:);

    Y_Position  =  xhat_posi(2,:);

    Z_Position  =  xhat_alti(1,:);



    AXIS        =  30;



    for j = 1 : 1 : 300



        figure(1)

        set(gcf,'Position',[200, 200, 900, 600],'Color','w')



        plot3(xr_posi(1,:),xr_posi(2,:),xr_alti(1,:),'-.','LineWidth',3); hold on

        plot3(x_posi(1,:),x_posi(2,:),x_alti(1,:),'LineWidth',2); hold on

        xlabel('X Position [m]','fontsize',15,'fontname','Times New Roman')

        ylabel('Y Position [m]','fontsize',15,'fontname','Times New Roman')

        zlabel('Z Position [m]','fontsize',15,'fontname','Times New Roman')



        % Center

        scatter3(X_Position(j), Y_Position(j), Z_Position(j), 'MarkerEdgeColor', [0 0 0], 'LineWidth', 1.5); hold on

        axis([-AXIS, x_init+AXIS, -AXIS, y_init+AXIS, 0, z_init+AXIS]); grid on;



        % Rotor 1

        scatter3(drone1(1,j), drone1(2,j), drone1(3,j), 'MarkerEdgeColor', [0 0 0], 'LineWidth', 1.5); hold on

        plot3([X_Position(j) drone1(1,j)], [Y_Position(j) drone1(2,j)], [Z_Position(j) drone1(3,j)],'LineWidth', 1.5, 'Color', 'red'); hold on

        %textscatter3(real([drone1(1,j) drone1(2,j) 0.2+drone1(3,j)]), string(1), 'MarkerSize',12);



        % Rotor 4

        scatter3(drone2(1,j), drone2(2,j), drone2(3,j), 'MarkerEdgeColor', [0 0 0], 'LineWidth', 1.5); hold on

        plot3([X_Position(j) drone2(1,j)], [Y_Position(j) drone2(2,j)], [Z_Position(j) drone2(3,j)],'LineWidth', 1.5, 'Color', 'blue'); hold on

        %textscatter3(real([drone2(1,j) drone2(2,j) 0.2+drone2(3,j)]), string(4), 'MarkerSize',12);



        % Rotor 3

        scatter3(drone3(1,j), drone3(2,j), drone3(3,j),'MarkerEdgeColor', [0 0 0], 'LineWidth', 1.5); hold on

        plot3([X_Position(j) drone3(1,j)], [Y_Position(j) drone3(2,j)], [Z_Position(j) drone3(3,j)],'LineWidth', 1.5, 'Color', 'red'); hold on

        %textscatter3(real([drone3(1,j) drone3(2,j) 0.2+drone3(3,j)]), string(3), 'MarkerSize',12);



        % Rotor 2

        scatter3(drone4(1,j), drone4(2,j), drone4(3,j), 'MarkerEdgeColor', [0 0 0], 'LineWidth', 1.5); hold on

        plot3([X_Position(j) drone4(1,j)], [Y_Position(j) drone4(2,j)], [Z_Position(j) drone4(3,j)],'LineWidth', 1.5, 'Color', 'blue'); hold on

        %textscatter3(real([drone4(1,j) drone4(2,j) 0.2+drone4(3,j)]), string(2), 'MarkerSize',12);



        hold on

        axis([-10, 20, -10, 20, 0, z_init+AXIS]);

        grid on; 

        hold off



        j



    end

end

end

🔥参考文献

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🔥内容介绍

一、引言：四旋翼无人机的非线性控制挑战

四旋翼无人机是典型的欠驱动非线性系统，其动力学模型受空气阻力、姿态耦合、外部扰动（如风速）等因素影响，呈现强非线性、强耦合特性。传统线性控制方法（如 PID）在大姿态角、快速机动场景下难以保证跟踪精度，而 T-S（Takagi-Sugeno）模糊模型通过 “模糊规则将非线性系统分解为多个局部线性模型的加权组合”，为非线性跟踪控制提供了高效解决方案 —— 既保留非线性系统的全局特性，又可利用线性控制理论简化控制器设计。

二、1. 四旋翼无人机非线性动力学建模基础

核心动力学特性

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🔥运行结果

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🔥部分代码

x_atti     =  UAV_Result.x_atti;                                        % [-] Real attitude

xhat_atti  =  UAV_Result.xhat_atti;                                     % [-] Estimated attitude



x_alti     =  UAV_Result.x_alti;                                        % [-] Real altitude

xhat_alti  =  UAV_Result.xhat_alti;                                     % [-] Estimated altitude



x_posi     =  UAV_Result.x_posi;                                        % [-] Real position

xhat_posi  =  UAV_Result.xhat_posi;                                     % [-] Estimated position



xr_atti    =  UAV_Result.xr_atti;

xr_alti    =  UAV_Result.xr_alti;

xr_posi    =  UAV_Result.xr_posi;



Quadrotor  =  UAV_Result.Quadrotor;                                                       



% figure(1)

% plot(T_posi,member_w1,'LineWidth',2.5); 

% hold on; 

% plot(T_posi,member_w2,'LineWidth',2.5); 

% hold on; grid on;

% legend('$w_1(k)$','$w_2(k)$','interpreter','latex')



% figure(2)

% plot(T_atti,xhat_atti(1,:)*180/pi,'LineWidth',2.5); 

% hold on; 

% plot(T_atti,xhat_atti(3,:)*180/pi,'LineWidth',2.5); 

% hold on; 

% plot(T_atti,xhat_atti(5,:)*180/pi,'LineWidth',2.5); 

% hold on;

% plot(T_atti,xr_atti(1,:)*180/pi,'-.','LineWidth',2.5); 

% hold on; 

% plot(T_atti,xr_atti(3,:)*180/pi,'-.','LineWidth',2.5); 

% hold on; 

% plot(T_atti,xr_atti(5,:)*180/pi,'-.','LineWidth',2.5); 

% hold on; grid on;

% legend('$\hat{\phi}(k)$','$\hat{\theta}(k)$','$\hat{\psi}(k)$','$\phi_r(k)$','$\theta_r(k)$','$\psi_r(k)$','interpreter','latex','Fontsize',12)

% xlabel('Time [s]')

% ylabel('Angle [degree]')

% 

% figure(3)

% plot(T_posi,xr_alti(1,:),'Color',"#0072BD",'LineWidth',2.5); 

% hold on; 

% plot(T_posi,xhat_alti(1,:),'-.','LineWidth',2.5); 

% hold on; grid on;

% 

% figure(4)

% plot3(xhat_posi(1,:),xhat_posi(2,:),xhat_alti(1,:),'LineWidth',2.5); hold on;

% plot3(xr_posi(1,:),xr_posi(2,:),xr_alti(1,:),'-.','LineWidth',2.5); hold on; grid on;

% xlim([-1 15])

% ylim([-1 15])

% zlim([0 50])

% xlabel('X Position [m]')

% ylabel('Y Position [m]')

% zlabel('Z Position [m]')





if mode == 0

elseif mode == 1



    drone1      =  Quadrotor{1};

    drone2      =  Quadrotor{2};

    drone3      =  Quadrotor{3};

    drone4      =  Quadrotor{4};



    x_init      =  0;

    y_init      =  0;

    z_init      =  0;



    X_Position  =  xhat_posi(1,:);

    Y_Position  =  xhat_posi(2,:);

    Z_Position  =  xhat_alti(1,:);



    AXIS        =  30;



    for j = 1 : 1 : 300



        figure(1)

        set(gcf,'Position',[200, 200, 900, 600],'Color','w')



        plot3(xr_posi(1,:),xr_posi(2,:),xr_alti(1,:),'-.','LineWidth',3); hold on

        plot3(x_posi(1,:),x_posi(2,:),x_alti(1,:),'LineWidth',2); hold on

        xlabel('X Position [m]','fontsize',15,'fontname','Times New Roman')

        ylabel('Y Position [m]','fontsize',15,'fontname','Times New Roman')

        zlabel('Z Position [m]','fontsize',15,'fontname','Times New Roman')



        % Center

        scatter3(X_Position(j), Y_Position(j), Z_Position(j), 'MarkerEdgeColor', [0 0 0], 'LineWidth', 1.5); hold on

        axis([-AXIS, x_init+AXIS, -AXIS, y_init+AXIS, 0, z_init+AXIS]); grid on;



        % Rotor 1

        scatter3(drone1(1,j), drone1(2,j), drone1(3,j), 'MarkerEdgeColor', [0 0 0], 'LineWidth', 1.5); hold on

        plot3([X_Position(j) drone1(1,j)], [Y_Position(j) drone1(2,j)], [Z_Position(j) drone1(3,j)],'LineWidth', 1.5, 'Color', 'red'); hold on

        %textscatter3(real([drone1(1,j) drone1(2,j) 0.2+drone1(3,j)]), string(1), 'MarkerSize',12);



        % Rotor 4

        scatter3(drone2(1,j), drone2(2,j), drone2(3,j), 'MarkerEdgeColor', [0 0 0], 'LineWidth', 1.5); hold on

        plot3([X_Position(j) drone2(1,j)], [Y_Position(j) drone2(2,j)], [Z_Position(j) drone2(3,j)],'LineWidth', 1.5, 'Color', 'blue'); hold on

        %textscatter3(real([drone2(1,j) drone2(2,j) 0.2+drone2(3,j)]), string(4), 'MarkerSize',12);



        % Rotor 3

        scatter3(drone3(1,j), drone3(2,j), drone3(3,j),'MarkerEdgeColor', [0 0 0], 'LineWidth', 1.5); hold on

        plot3([X_Position(j) drone3(1,j)], [Y_Position(j) drone3(2,j)], [Z_Position(j) drone3(3,j)],'LineWidth', 1.5, 'Color', 'red'); hold on

        %textscatter3(real([drone3(1,j) drone3(2,j) 0.2+drone3(3,j)]), string(3), 'MarkerSize',12);



        % Rotor 2

        scatter3(drone4(1,j), drone4(2,j), drone4(3,j), 'MarkerEdgeColor', [0 0 0], 'LineWidth', 1.5); hold on

        plot3([X_Position(j) drone4(1,j)], [Y_Position(j) drone4(2,j)], [Z_Position(j) drone4(3,j)],'LineWidth', 1.5, 'Color', 'blue'); hold on

        %textscatter3(real([drone4(1,j) drone4(2,j) 0.2+drone4(3,j)]), string(2), 'MarkerSize',12);



        hold on

        axis([-10, 20, -10, 20, 0, z_init+AXIS]);

        grid on; 

        hold off



        j



    end

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