前言

無(wú)人機(jī)的調(diào)試工作很大一部分是對(duì)飛行控制參數(shù)的調(diào)試，廣義的飛控參數(shù)包含了制導(dǎo)、導(dǎo)航、控制律以及各種控制策略中的可調(diào)參數(shù)。一般的飛控都有上百項(xiàng)需要人為調(diào)試的參數(shù)，有的甚至是幾百上千個(gè)。而姿態(tài)控制作為無(wú)人機(jī)控制的基礎(chǔ)，一般在無(wú)人機(jī)試飛調(diào)試時(shí)首當(dāng)其沖，成為我們首要調(diào)試對(duì)象，當(dāng)然導(dǎo)航的參數(shù)以及我們上一講PX4實(shí)戰(zhàn)之振動(dòng)分析肯定是在調(diào)試姿態(tài)之前都有一個(gè)比較好的狀態(tài)的。

我們今天要說(shuō)的姿態(tài)參數(shù)調(diào)試方法是針對(duì)目前使用最為廣泛的串級(jí)PID控制器進(jìn)行的，而在姿態(tài)控制中基于時(shí)標(biāo)分離假設(shè)設(shè)計(jì)的控制器一般分為內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)控制姿態(tài)角速率，外環(huán)控制姿態(tài)角。時(shí)標(biāo)分離的意思就是內(nèi)環(huán)響應(yīng)的速度要遠(yuǎn)快于外環(huán)，所以內(nèi)環(huán)響應(yīng)可以在很短的時(shí)間內(nèi)跟上外環(huán)給出的期望。PX4中使用的P（外環(huán)）—PID（內(nèi)環(huán)）型結(jié)構(gòu)就是這么設(shè)計(jì)出來(lái)的，關(guān)于姿態(tài)控制的控制律設(shè)計(jì)部分我們以后再講，會(huì)針對(duì)歐拉角和四元數(shù)兩種描述分別進(jìn)行論述。今天我們就來(lái)談?wù)勥@個(gè)P—PID的內(nèi)外環(huán)姿態(tài)控制器的參數(shù)應(yīng)該怎么調(diào)試。

固定翼、直升機(jī)和多旋翼的調(diào)參方法有類似之處，但是他們?nèi)邔?duì)于參數(shù)的敏感性完全不同，直升機(jī)對(duì)參數(shù)及其敏感，參數(shù)稍有變化控制效果就會(huì)相差很多，而固定翼對(duì)于參數(shù)適應(yīng)范圍很廣，也是最好調(diào)試的。今天我們的調(diào)參主要針對(duì)的是多旋翼飛機(jī)（垂起飛行器旋翼部分），以PX4為例，其他飛控調(diào)試方法基本一樣，可能參數(shù)名字不一樣，功能有所差別而已。

調(diào)參準(zhǔn)備

在開(kāi)始參數(shù)調(diào)試之前，我們要做一些調(diào)試準(zhǔn)備，飛行器各系統(tǒng)正常自不必說(shuō)，飛控參數(shù)也要有所更改和驗(yàn)證：

1、電調(diào)校準(zhǔn)完畢；

2、PWM_MIN參數(shù)要保證飛行器解鎖后電機(jī)不會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這么做的原因是在空中遇到姿態(tài)控制比較極端的情況下，飛行器輸出的電機(jī)控制信號(hào)一般會(huì)打到最低和最高位置，如果，最低位置PWM_MIN時(shí)電機(jī)已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，那也就是說(shuō)電機(jī)這部分控制已經(jīng)不起效果了，會(huì)造成飛行器力和力矩的不平衡，姿態(tài)控制出現(xiàn)問(wèn)題。所以在地面時(shí)要進(jìn)行以下驗(yàn)證：

A、不裝槳葉上電；

B、將油門打到最低位置；

C、俯仰滾轉(zhuǎn)偏航三個(gè)方向都晃動(dòng)45度（這個(gè)角度根據(jù)你設(shè)置的最大姿態(tài)角來(lái)定）；

D、檢測(cè)有無(wú)電機(jī)停轉(zhuǎn)；

3、還是打開(kāi)SDLOG_PROFILE 參數(shù)的high rate選項(xiàng)，便于分析姿態(tài)控制效果；

4、將參數(shù) MC_AIRMODE置0，此參數(shù)會(huì)在電機(jī)飽和時(shí)優(yōu)先保證姿態(tài)控制，減弱油門通道的控制；

5、將姿態(tài)相關(guān)的所有參數(shù)都減少20%，避免發(fā)散的可能性。其主要參數(shù)如下：

• 滾轉(zhuǎn)角速率控制器：(MC_ROLLRATE_P, MC_ROLLRATE_I, MC_ROLLRATE_D)

• 俯仰角速率控制器：(MC_PITCHRATE_P, MC_PITCHRATE_I, MC_PITCHRATE_D)

• 偏航角速率控制器(MC_YAWRATE_P, MC_YAWRATE_I, MC_YAWRATE_D)

• 滾轉(zhuǎn)角控制(MC_ROLL_P)

• 俯仰角控制 (MC_PITCH_P）

• 偏航角控制 (MC_YAW_P)

• 最大滾轉(zhuǎn)角速率 (MC_ROLLRATE_MAX)

• 最大俯仰角速率(MC_PITCHRATE_MAX）

• 最大偏航角速率 (MC_YAWRATE_MAX)

• 滾轉(zhuǎn)角速率前饋控制（MC_ROLLRATE_FF）

• 俯仰角速率前饋控制（MC_PITCHRATE_FF）

• 偏航角速率前饋控制（MC_YAWRATE_FF）

參數(shù)調(diào)試方法

俯仰滾轉(zhuǎn)偏航三個(gè)通道的調(diào)試方法基本是一樣的，所以我們只針對(duì)其中一個(gè)通道來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，就以滾轉(zhuǎn)通道為例，為了飛行安全，我們調(diào)試時(shí)都以manual/Stablized模式起飛，不進(jìn)行Acro模式的試飛。

調(diào)試步驟一般是這樣的：

1、輕推油門，在地面上觀察飛機(jī)有無(wú)震蕩趨勢(shì)，沒(méi)有則正常起飛；

2、在空中做滾轉(zhuǎn)方向激勵(lì)（遙控器滾轉(zhuǎn)遙桿迅速向左或向右撥桿后回中），遙控器從小到大給出滾轉(zhuǎn)通道激勵(lì)（10-30度左右的激勵(lì)）后觀察飛機(jī)反饋，看飛機(jī)有無(wú)震蕩現(xiàn)象；

3、先調(diào)試參數(shù)MC_ROLLRATE_P，此參數(shù)是角速率控制器的主力軍，只要有誤差第一時(shí)間響應(yīng)，參數(shù)大小直接影響飛機(jī)的靈敏度，每次增加10-20%直到給激勵(lì)后飛機(jī)出現(xiàn)小幅震蕩為止，這時(shí)候?qū)⒋藚?shù)縮減為60-70%左右；

4、再調(diào)試參數(shù)MC_ROLLRATE_I，也是每次增加10-20%直到飛機(jī)出現(xiàn)小幅震蕩，縮減為60-70%，此參數(shù)主要用于消除跟蹤靜差，參數(shù)太小會(huì)導(dǎo)致無(wú)法應(yīng)對(duì)外界擾動(dòng)；

5、參數(shù)MC_ROLLRATE_D與飛行器的噪聲有關(guān)，所以對(duì)于噪聲大的飛行器此參數(shù)基本設(shè)置為0附近，噪聲小的可以適當(dāng)增加此參數(shù)后觀察飛機(jī)是否有小幅震蕩，有的話縮減為50%，此參數(shù)過(guò)小會(huì)出現(xiàn)飛行器給出激勵(lì)后回中時(shí)超調(diào)出現(xiàn)多次余震。

6、固定好內(nèi)環(huán)參數(shù)后調(diào)試參數(shù)MC_ROLL_P，此參數(shù)基本不用怎么調(diào)試，調(diào)大了也會(huì)震蕩，然后縮?。?/p>

7、MC_ROLLRATE_FF參數(shù)其實(shí)就是角速環(huán)輸出直接反饋到電機(jī)上，此參數(shù)有利于飛行器給出姿態(tài)期望后的快速響應(yīng)，但是不能過(guò)大，因?yàn)樗皇欠答伩刂?，要是占的輸出比例過(guò)大，會(huì)干擾角速率環(huán)的控制。如果飛行器姿態(tài)響應(yīng)比較慢可適當(dāng)加大，姿態(tài)響應(yīng)過(guò)于靈敏則降低此參數(shù)。

8、關(guān)于角度和角速率的限幅參數(shù)其實(shí)要根據(jù)具體的飛機(jī)來(lái)定了，如果飛機(jī)的電機(jī)不夠富裕，那就限制得小一點(diǎn)，如果電機(jī)能力足夠，就放寬一些。

9、THR_MDL_FAC參數(shù)，這個(gè)參數(shù)是用來(lái)修正升力和PWM輸出值的關(guān)系的，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在懸停狀態(tài)時(shí)飛機(jī)的姿態(tài)控制好好的，但是到了快速爬升和下降時(shí)，飛機(jī)就出現(xiàn)姿態(tài)不穩(wěn)的現(xiàn)象，就是因?yàn)榱蚉WM的輸出他不是線性關(guān)系，所以會(huì)出現(xiàn)不同油門值的時(shí)候控制效果不一樣，這個(gè)參數(shù)就是用來(lái)調(diào)試這個(gè)現(xiàn)象的。關(guān)于這個(gè)參數(shù)我們后面再講。

數(shù)據(jù)分析

調(diào)參是一定需要數(shù)據(jù)分析的，可以使用Flight Review/matlab來(lái)進(jìn)行分析，主要分析角度和角速率跟蹤情況以及電機(jī)是否出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。下面的數(shù)據(jù)除了第一張圖之外都是較大尺寸飛機(jī)的姿態(tài)響應(yīng)曲線，所以給出激勵(lì)后響應(yīng)較慢，不像小尺寸飛機(jī)的跟蹤效果那么好。

角速率跟蹤好的情況就跟下圖所示：

跟蹤不好震蕩的情況是這樣的：

姿態(tài)跟蹤好的情況給激勵(lì)是這樣的：

姿態(tài)跟蹤不好的情況是這樣的：

總結(jié)

本文描述了如何調(diào)試角度控制器的主要參數(shù)，調(diào)參的時(shí)候要注意不要一步調(diào)太多，調(diào)試參數(shù)時(shí)飛機(jī)要落地，多調(diào)試，多總結(jié)，基本上就能夠掌握調(diào)試的技巧了。

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