text: (window.webpackJsonp=window.webpackJsonp||[]).push([[62],{2952:function(Q,t,a){"use strict";a.r(t);var T=a(19),r=Object(T.a)({},(function(){var Q=this,t=Q.$createElement,T=Q._self._c||t;return T("ContentSlotsDistributor",{attrs:{"slot-key":Q.$parent.slotKey}},[T("h1",{attrs:{id:"控制器图解"}},[T("a",{staticClass:"header-anchor",attrs:{href:"#控制器图解"}},[Q._v("#")]),Q._v(" 控制器图解")]),Q._v(" "),T("p",[Q._v("本节包括PX4主要控制器的图解。")]),Q._v(" "),T("p",[Q._v("下面的图解使用标准 "),T("RouterLink",{attrs:{to:"/zh/contribute/notation.html"}},[Q._v("PX4 注释")]),Q._v(" (附有详细图例注解)。")],1),Q._v(" "),T("h2",{attrs:{id:"多旋翼的控制架构"}},[T("a",{staticClass:"header-anchor",attrs:{href:"#多旋翼的控制架构"}},[Q._v("#")]),Q._v(" 多旋翼的控制架构")]),Q._v(" "),T("p",[T("img",{attrs:{src:a(846),alt:"多旋翼位置控制器图解"}})]),Q._v(" "),T("ul",[T("li",[Q._v("这是一个标准的级联控制架构。")]),Q._v(" "),T("li",[Q._v("控制器采用P和PID控制的组合方式。")]),Q._v(" 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"),T("a",{attrs:{href:"https://en.wikipedia.org/wiki/Quaternion",target:"_blank",rel:"noopener noreferrer"}},[Q._v("四元数"),T("OutboundLink")],1),Q._v("。")]),Q._v(" "),T("li",[Q._v("姿态控制器是以这篇 "),T("a",{attrs:{href:"https://www.research-collection.ethz.ch/bitstream/handle/20.500.11850/154099/eth-7387-01.pdf",target:"_blank",rel:"noopener noreferrer"}},[Q._v("文章"),T("OutboundLink")],1),Q._v("为基础实现的")]),Q._v(" "),T("li",[Q._v("当你调整这个控制器时，唯一需要考虑的参数是增益 P。")]),Q._v(" "),T("li",[Q._v("输出的角速率命令是饱和的。")])]),Q._v(" "),T("h3",{attrs:{id:"多旋翼速度控制器"}},[T("a",{staticClass:"header-anchor",attrs:{href:"#多旋翼速度控制器"}},[Q._v("#")]),Q._v(" 多旋翼速度控制器")]),Q._v(" "),T("p",[T("img",{attrs:{src:a(850),alt:"MC Velocity Control Diagram"}})]),Q._v(" "),T("ul",[T("li",[Q._v("采用PID控制器来稳定速度。 该控制器输出的命令是加速度。")]),Q._v(" "),T("li",[Q._v("积分器包括了一个采用钳制方法的反复位饱和措施。")]),Q._v(" "),T("li",[Q._v("输出的加速度命令是饱和的。")])]),Q._v(" 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"),T("p",[Q._v("从上面的图表可以看出，TECS 接受空速和高度需求量，然后输出油门和俯仰角控制量。 这两个输出控制量输入到固定翼的姿态控制器（姿态控制器实施姿态控制） 因此，TECS 是直接受到俯仰控制逻辑环的性能影响。 对飞行器俯仰角度的预测不准往往会导致对空速和高度的预测不准。")]),Q._v(" "),T("p",[Q._v("在试图调试总能量控制系统 TECS 前，请一定要调试好姿态控制器。 增加飞行器的俯仰角度不仅会导致高度上升还会导致空速下降。")]),Q._v(" "),T("p",[Q._v("同时控制飞机的空速和高度不是一件简单的事。 增加飞行器的俯仰角会导致高度上升，同时也会导致空速下降。 推力（通过油门控制）增加整个飞机的总能量。 因此，俯仰角和油门两个输入量都会对空速和高度产生影响，从而使控制问题变得难了。")]),Q._v(" "),T("p",[Q._v("TECS 提供了一种解决方案，即根据能量而不是初始设定值来反映问题。 一架飞行器的总能量是飞行器动能和势能之和。 推力（通过油门控制）可以增加飞机的总能量。 一个给定的总能量状态可以通过势能和动能的任意组合来实现。 换句话说，飞行器在高海拔以低空速飞行和在低海拔以高空速飞行时的总能量是等价的。 我们称这种情况叫做比能量平衡，它是根据当前高度和真实空速设定值计算的。 可以通过控制俯仰角来控制飞行器的比能量平衡。 俯仰角增加将动能转变为势能，俯仰角减少则情况相反。 这样，通过将初始空速和海拔设定值转化为能量大小（空速和海拔存在耦合，而能量大小可以独立控制），就可以把控制问题解耦。 我们利用油门调节飞行器的特定总能量，利用俯仰角来维持势能（高度）和动能（真空速）的特定平衡点。")]),Q._v(" "),T("h4",{attrs:{id:"总能量控制回路"}},[T("a",{staticClass:"header-anchor",attrs:{href:"#总能量控制回路"}},[Q._v("#")]),Q._v(" 总能量控制回路")]),Q._v(" "),T("p",[T("img",{attrs:{src:a(854),alt:"能量平衡回路"}})]),Q._v(" 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"),T("p",[Q._v("如果没有安装空速传感器，固定翼姿态控制的增益调整将被禁用 (它是开环的)；您将无法在总能量控制系统中使用空速反馈。 但是，为了将飞机侧滑产生的侧向加速度最小化，偏航控制器利用转向协调约束产生偏航速率设定值。")]),Q._v(" "),T("p",[Q._v("前馈增益用于补偿空气动力阻尼。 基本上，绕机体轴的两个主要力矩分量分别来自：控制翼面 (副翼，水平尾翼，垂直尾翼 - 驱动机体转动) 和 空气动力阻尼 (与机体角速率成正比 - 阻止机体转动) 。 为了保持恒定的角速率, 可以在角速率回路中使用前馈来补偿这种气动阻尼。")]),Q._v(" "),T("p",[Q._v("滚转和俯仰控制器具有相同的结构，并且假设纵向和横向动力学足够解耦，可以独立工作。 但是，为了将飞机侧滑产生的侧向加速度最小化，偏航控制器利用转向协调约束产生偏航速率设定值。 偏航速率控制器同样有助于抵消偏航效应带来的负面影响 (https://youtu.be/sNV_SDDxuWk) 并且可以提供额外的方向阻尼以减小 "),T("a",{attrs:{href:"https://en.wikipedia.org/wiki/Dutch_roll",target:"_blank",rel:"noopener noreferrer"}},[Q._v("荷兰滚效应"),T("OutboundLink")],1),Q._v("。")]),Q._v(" "),T("h2",{attrs:{id:"vtol-飞行控制器"}},[T("a",{staticClass:"header-anchor",attrs:{href:"#vtol-飞行控制器"}},[Q._v("#")]),Q._v(" VTOL 飞行控制器")]),Q._v(" "),T("p",[T("img",{attrs:{src:a(857),alt:"VTOL Attitude Controller Diagram"}})]),Q._v(" "),T("p",[Q._v("本节简要介绍垂直起降（VTOL）无人机的控制架构。 垂直起降飞行控制器由多旋翼控制器和固定翼控制器组成，多旋翼控制器在垂直起降模式下运行，固定翼控制器在平飞模式下运行，二者在过渡模式下同时运行。 上图是一个简化的控制流程图。 注意到 VTOL 姿态控制器模块，它主要对不同 VTOL 模式间的必要切换和混控逻辑，以及过渡模式下 VTOL 机型的特定控制动作（例如，在前向过渡期间加速标准 VTOL 的推进马达）起到促进作用。 此模块的输入称为“虚拟输入”，因为控制器会根据当前的 VTOL 模式而忽略一些输入。")]),Q._v(" "),T("p",[Q._v("对于标准和倾转旋翼 VTOL，在过渡期间，固定翼姿态控制器产生角速率设定值，然后将其输入到单独的角速率控制器中，从而产生多旋翼和固定翼执行器的扭矩指令。 而对尾座式 VTOL，在过渡期间，多旋翼姿态控制器独立运行。")]),Q._v(" "),T("p",[Q._v("VTOL姿态模块的输出是多旋翼执行器（典型的 "),T("code",[Q._v("actuator_controls_0")]),Q._v("）和固定翼（典型的 "),T("code",[Q._v("actuator_controls_1")]),Q._v("）执行器的独立的扭矩和力指令。 这些是在一个特定机型的混控器文件中处理的（参见"),T("RouterLink",{attrs:{to:"/zh/concept/mixing.html"}},[Q._v(" Mixing")]),Q._v("）。")],1),Q._v(" "),T("p",[Q._v("有关调整 VTOL 模块内部过渡逻辑的更多信息，请参阅 "),T("RouterLink",{attrs:{to:"/zh/config_vtol/"}},[Q._v("VTOL 配置")]),Q._v("。")],1),Q._v(" "),T("h3",{attrs:{id:"空速缩放补偿"}},[T("a",{staticClass:"header-anchor",attrs:{href:"#空速缩放补偿"}},[Q._v("#")]),Q._v(" 空速缩放补偿")]),Q._v(" "),T("p",[Q._v("本节的目的是：通过公式来解释怎样根据空速调整角速率回路 (PI) 和前馈控制器 (FF) 的输出，以及为何如此。 我们首先给出简化的滚转轴线性力矩方程，然后说明空速对力矩产生的直接影响，最后是空速对匀速滚转运动的影响。")]),Q._v(" "),T("p",[Q._v("如上所示的固定翼姿态控制器，角速率控制器输出角加速度设定值，传递给控制分配器 (这里叫“混控”)。 为了达到期望的角加速度，混控必须利用气动控制面 (例如：典型的飞机有两个副翼，两个水平尾翼和一个垂直尾翼) 产生力矩。 气动控制面产生的力矩受以下因素影响最大：飞机的相对空速和空气密度，更准确的说，是气动压力。 如果没有针对空速的刻度化处理，在某一特定巡航速度下调参的控制器，将会使飞机在高速下发生振荡，或者在在低速下达不到理想的随动效果。")]),Q._v(" "),T("p",[Q._v("读者们首先必须明白 "),T("a",{attrs:{href:"https://en.wikipedia.org/wiki/True_airspeed",target:"_blank",rel:"noopener noreferrer"}},[Q._v("真实空速 (TAS)"),T("OutboundLink")],1),Q._v(" 和 "),T("a",{attrs:{href:"https://en.wikipedia.org/wiki/Indicated_airspeed",target:"_blank",rel:"noopener noreferrer"}},[Q._v("指示空速 (IAS)"),T("OutboundLink")],1),Q._v(" 这二者的读数差别很大，除非你在海平面上飞行。")]),Q._v(" "),T("p",[Q._v("气动压力的定义是")]),Q._v(" "),T("p"),T("p",[T("mjx-container",{staticClass:"MathJax",attrs:{jax:"SVG",display:"true"}},[T("svg",{staticStyle:{"vertical-align":"-1.552ex"},attrs:{xmlns:"http://www.w3.org/2000/svg",width:"10.483ex",height:"4.588ex",viewBox:"0 -1342 4633.6 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"),T("h4",{attrs:{id:"总结"}},[T("a",{staticClass:"header-anchor",attrs:{href:"#总结"}},[Q._v("#")]),Q._v(" 总结")]),Q._v(" "),T("p",[Q._v("角速率回路PI控制器的输出必须由指示空速 (IAS) 的平方刻度化，角速率回路前馈通道 (FF) 必须由真实空速 (TAS) 刻度化。")]),Q._v(" "),T("p",[Q._v("最终，由于执行器的输出是归一化的，并且假定混控和伺服模块是线性的，我们可以将上述方程重写如下:")]),Q._v(" "),T("p",[Q._v("where "),T("mjx-container",{staticClass:"MathJax",attrs:{jax:"SVG"}},[T("svg",{staticStyle:{"vertical-align":"-0.604ex"},attrs:{xmlns:"http://www.w3.org/2000/svg",width:"2.782ex",height:"2.149ex",viewBox:"0 -683 1229.5 950.1"}},[T("g",{attrs:{stroke:"currentColor",fill:"currentColor","stroke-width":"0",transform:"matrix(1 0 0 -1 0 0)"}},[T("g",{attrs:{"data-mml-node":"math"}},[T("g",{attrs:{"data-mml-node":"msub"}},[T("g",{attrs:{"data-mml-node":"mi"}},[T("path",{attrs:{"data-c":"56",d:"M52 648Q52 670 65 683H76Q118 680 181 680Q299 680 320 683H330Q336 677 336 674T334 656Q329 641 325 637H304Q282 635 274 635Q245 630 242 620Q242 618 271 369T301 118L374 235Q447 352 520 471T595 594Q599 601 599 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