前言

無人機（Unmanned Aerial Vehicle），指的是一種由動力驅(qū)動的、無線遙控或自主飛行、機上無人駕駛并可重復(fù)使用的飛行器，飛機通過機載的計算機系統(tǒng)自動對飛行的平衡進行有效的控制，并通過預(yù)先設(shè)定或飛機自動生成的復(fù)雜航線進行飛行，并在飛行過程中自動執(zhí)行相關(guān)任務(wù)和異常處理。

在上篇博客介紹了無人機控制的原理與控制算法。

無人機在應(yīng)用中會存在多種模式比如：

• 姿態(tài)模式
• 定高模式
• 懸停模式
• 自動航線

每一種模式的控制原理和控制算法都是一樣的，也就是核心思想基本相同，區(qū)別就是控制結(jié)構(gòu)、控制器輸入輸出量的不同。

如果想要做完整的無人機控制，那必須對每層的控制結(jié)構(gòu)熟悉，本篇文章則對每層的控制結(jié)構(gòu)做一個分析。

姿態(tài)控制

單級 PID 適合線性系統(tǒng)，當(dāng)輸出量和被控制量呈線性關(guān)系時單級 PID 能獲得較好的效果。但是四旋翼飛行器輸出的電壓和電機轉(zhuǎn)速不是呈正比的并且螺旋槳轉(zhuǎn)速和升力是平方倍關(guān)系，也就是說四旋翼飛行器不是一個線性系統(tǒng)，四旋翼飛行器通?？梢院喕癁橐粋€二階阻尼系統(tǒng)。只用單級 PID 在四旋翼飛行器上很難達(dá)到理想的控制效果，當(dāng)四軸飛行器正常飛行時，遇到外力干擾，使加速度傳感器采集數(shù)據(jù)誤差偏大，造成計算的歐拉角誤差偏大，只用角度偏差來進行控制的情況下，很難使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

所以對于無人機的各級控制層來說，多采用串級PID控制。

串級 PID 控制系統(tǒng)具有控制及時、調(diào)節(jié)快速、抗干擾性強的特點。為解決單級在四旋翼控制時表現(xiàn)出的不足，姿態(tài)控制器采用串級 PID 控制。所謂串級PID，就是將兩個 PID 控制器串在一起，一個控制器的輸出做為另一個控制器的輸入，分為內(nèi)環(huán)角速度控制器和外環(huán)角度控制器。

下面通過遙控器控制姿態(tài)模式的無人機控制流程來進行舉例

Roll Pitch 角度控制

控制框圖如下

外環(huán)角度 PID 控制器為比例控制器，僅有比例作用，由期望角度與實際角度的偏差經(jīng)過運算得到期望角速度，得到的期望角速度作為內(nèi)環(huán)角速度控制器的輸入與實際角速度做差，將偏差輸入到內(nèi)環(huán) PID，經(jīng)過計算得到電機的控制量。電機轉(zhuǎn)速改變，使得無人機姿態(tài)向期望姿態(tài)變化，航資參考系統(tǒng)將估計的實際姿態(tài)角度與實際姿態(tài)角速度輸入各控制器中。

由于四旋翼為一個欠驅(qū)動的復(fù)雜系統(tǒng)，為了讓飛機姿態(tài)可以快速跟蹤期望姿態(tài)的改變，需要加入前饋環(huán)節(jié)。將當(dāng)前時刻期望角速度與上一時刻期望角速度偏差經(jīng)過計算并進行最大加速度限制，得出用于前饋的期望角速度信號，與外環(huán)計算的內(nèi)環(huán)輸入信號（期望角速度）疊加輸入到內(nèi)環(huán)角速度控制器中。

控制框圖變?yōu)槿缦滦问剑?br>

Yaw 角度控制

航向角度的控制與橫滾俯仰角度的控制略有不同

橫滾、俯仰角度通過遙控器控制時，期望遙控器桿量在中位時，飛行器保持水平姿態(tài)，即期望的橫滾俯仰角度為0度。

但是航向角度通過遙控器控制時，當(dāng)遙控器桿量在中位時，我們希望飛行器不進行旋轉(zhuǎn)，并不是航向角度回到0度，即期望的航向角速度為0度。

其控制框圖如下：

如果是通過位置控制，進行航向角度的絕對控制，那控制框圖和pitch 或者roll的一致，在此不再羅列

高度控制

對于無人機的高度控制模式，一般的飛控就是在姿態(tài)控制模式的基礎(chǔ)上，加上垂直方向的控制。

通常也是將控制器分成兩層，外環(huán)是高度方向位置控制，內(nèi)環(huán)是高度方向速度控制。

地面站模式

其中地面站可能給出期望高度位置，如果此時沒有遙控器的桿量，則可以通過兩個串級的控制器，實現(xiàn)高度位置控制，首先垂直位置控制器將期望位置與實際位置的偏差量轉(zhuǎn)換成為期望垂直速度信息，將期望垂直速度與實際垂直速度的偏差經(jīng)過垂直速度控制器轉(zhuǎn)為電機控制量，來控制電機轉(zhuǎn)速調(diào)整，改變無人機的高度位置與垂直速度，形成閉環(huán)負(fù)反饋。

遙控器模式

當(dāng)使用遙控器進行高度控制時，是通過遙控器上的油門桿量進行，當(dāng)油門桿在中位時，期望速度為0，不在中位時，則進行上下的期望速度控制。

遙控器模式和地面站模式不能同時存在，為了方便畫到了一個控制圖里面。可以通過無人機模式的狀態(tài)控制，決定圖中的哪個控制環(huán)啟作用。

自動航線模式

自動航向模式，相當(dāng)于在高度控制中的地面站模式中，加入了如下控制框圖的水位置控制。

地面站會向飛快發(fā)布航點指令，其中航點就是期望的 水平位置、高度信息。高度的控制就是上節(jié)的控制框圖。水平位置的控制框圖如下：

飛控將地面站發(fā)布的期望水平位置與實際水平位置求得偏差，經(jīng)過水平位置控制器，將偏差轉(zhuǎn)為期望速度，經(jīng)過水平速度控制器求得期望姿態(tài)角度，在姿態(tài)控制器里就是最上面介紹的姿態(tài)的控制框圖，為了簡單，沒有展開。

懸停模式

懸停模式主要是為了穩(wěn)定的用遙控器進行控制，在遙控器桿量都在中位時，將當(dāng)前位置為期望位置進行水平位置控制+垂直位置控制+航向角度控制。 當(dāng)有遙控器桿量輸入時，把遙控器桿量與中位偏差轉(zhuǎn)為期望速度信號，送入對應(yīng)的控制器中，完成期望的運動。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-406773.html

到了這里，關(guān)于無人機基礎(chǔ)知識：多旋翼無人機各模式控制框圖的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！