ArduPilot多旋翼姿态控制

2018 年 6 月 8 日 无人机

以下是显示每个轴如何完成姿态控制的图示：

使用P控制器完成外环控制，将角度误差（目标角度与实际角度之间的差值）转换为所需的旋转速率，然后由PID控制器将旋转速率误差转换为电机指令。图中的“平方根控制器”部分显示是与角度比例控制器的P控制器一起协调分段使用。

下图显示了从信号输入到pwm输出的代码流程：

在每次更新时（例如Pixhawk上的400hz，APM2.x上的100hz）都会执行以下程序：

●调用顶层flight-mode.cpp的“update_flight_mode（）”函数。此函数检查飞行器的飞行模式（即“control_mode”变量），然后调用适当的<飞行模式> _run（）函数（如 stabilize_run 为稳定模式， rtl_run 为一键返航模式，等等）。<flight mode> _run（）函数可以在适当命名的control_ <flighttype> .cpp文件（即 control_stabilize.cpp， control_rtl.cpp等）中找到。

●<flight mode> _run函数负责将用户的输入（在g.rc_1.control_in，g.rc_2.control_in等中可找到）转换为适用于此飞行模式的倾斜角，旋转速率，爬升率等。例如， AltHold 将用户的侧倾和俯仰输入转换为倾斜角度（以度为单位），将偏航输入转换为旋转速率（以度/秒为单位），并将油门输入转换为爬升率（以cm / s为单位）。

●<flight mode> _run函数必须做的最后一件事是将这些所需的角度，比率等传递给姿态控制和/或位置控制库（这些都保存在 AC_AttitudeControl 文件夹中）。

●所述AC_AttitudeControl 库提供5种可能的方式来控制车辆的姿态，最常见的3种如下所述。

angle_ef_roll_pitch_rate_ef_yaw（）：它接受滚动和俯仰的地球坐标系下角度，以及偏航的地球坐标系下速率。例如，提供这个函数roll = -1000，pitch = -1500，yaw = 500意味着将车辆左倾10度，前倾15度并以5度/秒向右旋转。
angle_ef_roll_pitch_yaw（）：它接受滚动，俯仰和偏航的地球坐标系角度。类似于上述，除了提供500的偏航意味着将车辆旋转至北方5度。
rate_bf_roll_pitch_yaw（）：接受滚动俯仰和偏航的机体系速率（以度/秒为单位）。例如，提供此功能，滚动= -1000，俯仰= -1500，偏航= 500将导致车辆以10度/秒向左滚动，以15度/秒向前俯仰并绕车辆的z轴以5度/秒旋转。

在对这些函数进行任何调用之后，调用 AC_AttitudeControl:: rate_controller_run（）。这将上述方法的输出转换为通过它的set_roll，set_pitch，set_yaw和set_throttle 方法发送到AP_Motors库的滚动，俯仰和偏航输入。

●所述AC_PosControl 库允许所述车辆的三维位置控制。通常仅使用简单的Z轴（即，高度控制）方法，因为更复杂的3D位置飞行模式（例如悬停）利用的 AC_WPNav 库。无论如何，这个库的一些常用方法包括：

set_alt_target_from_climb_rate() : 它接受以厘米/秒为单位的爬升率并更新绝对高度目标
set_pos_target() : 它接受一个三维位置矢量，它是以厘米为单位的偏移量

如果AC_PosControl中的任何方法被调用，那么飞行模式代码也必须调用 AC_PosControl:: update_z_controller（）方法。这将运行z轴位置控制PID回路并将低电平油门级别发送到AP_Motors 库。如果调用了任何xy轴方法，则必须调用AC_PosControl:: update_xy_controller（）。

●AP_Motors库保存“电机混合”代码。该代码负责将从AC_AttitudeControl和AC_PosControl库接收到的滚动，俯仰，偏航和油门值转换为绝对马达输出（即PWM值）。所以更高级的库将使用这些函数：

set_roll(),set_pitch(), set_yaw() : 接受-4500〜4500范围内的滚动，俯仰和偏航值。这些不是所需的角度或速率，而只是一个值。例如set_roll（-4500）意味着尽可能快地向左滚动。
set_throttle() : 接受0〜1000范围内的绝对油门值。0 =马达关闭，1000 =全油门。

●每种车架类型都有不同的机型（四轴，Y6，传统直升机），但每个都有一个“ output_armed ”功能，负责将这些滚转，俯仰，偏航和油门值转换为pwm输出。这种转换通常包括实现一个“稳定补丁”，当输入请求超出帧的物理极限时，处理优先于另一个控制轴的优先级（即最大节流和最大滚动对于四元组是不可能的，因为某些电机的转动必须少于其他电机才能产生转动）。在“output_armed”函数的底部，调用了hal.rcout-> write（）函数，它将所需的pwm值传递给AP_HAL层。

●所述AP_HAL库（硬件抽象层）提供了用于所有板一致的界面。特别是hal.rc_out_write（）函数将从AP_Motors类中接收到的特定PWM写入板上相应pwm引脚上。

本文源自网络，由阿木实验室小伙伴翻译

原文地址：http://ardupilot.org/dev/docs/apmcopter-programming-attitude-control-2.html#copter-attitude-control