【无人机】多旋翼无人机控制器架构，PX4控制器，PID控制 ...

目录
1、多旋翼控制架构
2、角速率控制器
3、姿态控制器
4、速率控制器
5、位置控制器
组合位置和速率控制器图
6、加速率到推力和姿态设定值的转换

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参考：
Controller Diagrams | PX4 Guide (v1.15)
1、多旋翼控制架构

如图所示，多旋翼的控制器分为，
角速率控制器，姿态控制器，速率控制器，位置控制器

   

• 这是一种尺度的级联控制架构。
  
• 控制器由比例（P）控制器和比例 - 积分 - 微分（PID）控制器混合构成。
  
• 估计值来自扩展卡尔曼滤波器 2（EKF2）。
  
• 根据不同的模式，外环（位置环）会被绕过（在位置环之后以多路复用器的形式体现）。位置环仅在保持位置或某一轴上的哀求速率为零时利用。
  

  2、角速率控制器

• K-PID 控制器。更多信息请参见速率控制器，Multicopter PID Tuning Guide (Manual/Advanced) | PX4 User Guide (v1.14)。
  
• 为防止积分饱和，对积分作用进行了限幅。
  
• 输出在控制分配模块中进行限幅，通常限定在 -1 到 1 之间。
  
• 在微分项利用低通滤波器（LPF）来降低噪声（陀螺仪驱动步伐向控制器提供经过滤波的微分项）。
  

   TIP
  惯性测量单元（IMU）处理流程如下：
  
陀螺仪数据 > 应用校准参数 > 去除估计偏差 > 陷波滤波器（依据 IMU_GYRO_NF0_BW 和 IMU_GYRO_NF0_FRQ 参数）> 低通滤波器（依据 IMU_GYRO_CUTOFF 参数）> 飞行器角速率（比例（P）和积分（I）控制器利用的滤波后角速率）> 求导 > 低通滤波器（依据 IMU_DGYRO_CUTOFF 参数）> 飞行器角加速率（微分（D）控制器利用的滤波后角加速率）
  

  
3、姿态控制器

• 姿态控制器利用四元数。
  
• 该控制器依据此文章实现：eth-7387-01.pdf。
  
• 在调试此控制器时，唯一需要关注的参数是比例（P）增益。
  
• 速率指令进行了限幅处理。
  

4、速率控制器

1、用于稳定速率的比例积分微分（PID）控制器。它输出一个加速率指令。
2、积分器采用了一种钳位方法来实现抗积分饱和（ARW）。
3、所指令的加速率并不进行限幅 —— 限幅操作将在结合最大倾斜角度对转换后的推力设定值进行处理时才会应用。
4、程度方向的增益通过参数 MPC_XY_VEL_P_ACC、MPC_XY_VEL_I_ACC 和 MPC_XY_VEL_D_ACC 来设置。
5、垂直方向的增益通过参数 MPC_Z_VEL_P_ACC、MPC_Z_VEL_I_ACC 和 MPC_Z_VEL_D_ACC 来设置。

5、位置控制器

1、这是一个输出速率指令的简朴比例（P）控制器。
2、指令速率会进行限幅处理，以将速率保持在一定范围内。请参考参数 MPC_XY_VEL_MAX，该参数设定了最大可能的程度速率。这与最大盼望速率（自主模式下的 MPC_XY_CRUISE 和手动位置控制模式下的 MPC_VEL_MANUAL）有所不同。
3、程度方向的比例（P）增益通过参数 MPC_XY_P 进行设置。
4、垂直方向的比例（P）增益通过参数 MPC_Z_P 进行设置。

组合位置和速率控制器图

1、与模式相干的前馈（ff）—— 例如，任务模式轨迹生成器（受加加速率限定的轨迹）会计算位置、速率和加速率设定值。
2、加速率设定值（在惯性坐标系中）将（结合偏航设定值）转换为姿态设定值（四元数形式）和总推力设定值。

6、加速率到推力和姿态设定值的转换

1、由速率控制器生成的加速率设定值将被转换为推力和姿态设定值。
2、转换后的加速率设定值将进行限幅处理，并按垂直和程度推力的优先级进行处理。
3、推力限幅是在计算出相应的推力之后进行的：

• 计算所需的垂直推力（thrust_z）
  
• 用 MPC_THR_MAX 对 thrust_z 进行限幅
  
• 用 (MPC_THR_MAX² - thrust_z²)^0.5 对程度推力 thrust_xy 进行限幅
  

4、具体的实现细节可在 PositionControl.cpp 和 ControlMath.cpp 文件中找到。


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