基于PX4實(shí)現(xiàn)的四旋翼建模與控制

目前，四旋翼無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)植保、物流配送、競(jìng)技飛行及科研實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。許多公司、科研機(jī)構(gòu)與無(wú)人機(jī)愛(ài)好者都會(huì)開(kāi)發(fā)自己的飛控平臺(tái)，在眾多開(kāi)源飛控平臺(tái)中，PX4以其完善的功能、優(yōu)異的性能以及友好的生態(tài)脫穎而出。

不僅是科研機(jī)構(gòu)大量使用PX4，許多公司也會(huì)基于PX4進(jìn)行改進(jìn)完善，實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)的需求。因此，能夠基于PX4進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)對(duì)于學(xué)習(xí)和工作都有著重要的價(jià)值和意義。飛控平臺(tái)是一個(gè)復(fù)雜的軟硬件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)大致可以分為嵌入式、導(dǎo)航與控制三大部分，每一部分都需要專(zhuān)業(yè)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。本課程針對(duì)控制這一大模塊，分三步走，旨在讓學(xué)員能夠?qū)W懂PX4的控制器系統(tǒng)并具備二次開(kāi)發(fā)的能力。

飛控學(xué)習(xí)三步走

第一步，飛起來(lái)

擁有配套的無(wú)人機(jī)平臺(tái)，支持PX4代碼，通過(guò)選擇合適的硬件系統(tǒng)，該無(wú)人機(jī)具備良好的飛行性能。該無(wú)人機(jī)搭配光流與GPS等模塊，支持室內(nèi)室外飛行。課程將介紹組裝、傳感器與遙控器校準(zhǔn)、參數(shù)調(diào)試、代碼下載及實(shí)際飛行測(cè)試等基本內(nèi)容，讓學(xué)員在最短的時(shí)間內(nèi)完成整機(jī)飛行測(cè)試。對(duì)于初接觸飛控的小白，如果自行摸索，這個(gè)過(guò)程可能要花費(fèi)數(shù)月時(shí)間，而且內(nèi)容零散難以形成完整的知識(shí)體系，實(shí)驗(yàn)測(cè)試甚至有炸機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

第二步，讀代碼

這個(gè)過(guò)程是向PX4學(xué)習(xí)的過(guò)程。PX4有著完善的功能，但這也意味著有復(fù)雜的代碼。初次閱讀可能無(wú)從下手，找不到重點(diǎn)。

控制模塊可以分為控制邏輯和控制算法兩大部分，邏輯用于處理各種輸入輸出的選擇、切換等，算法是輸入輸出具體關(guān)系的數(shù)學(xué)表示。

PX4使用的控制算法是基于四元數(shù)的PID，但是相比于傳統(tǒng)的單級(jí)PID要復(fù)雜很多，一是因?yàn)槎鄠€(gè)PID串聯(lián)，二是因?yàn)槭歉倪M(jìn)的PID，例如微分項(xiàng)不對(duì)期望進(jìn)行微分且加入濾波，又如使用了飽和積分算法。

如果缺乏控制算法的知識(shí)是很難理解代碼內(nèi)容的。除了上述的控制算法，控制邏輯也至關(guān)重要。課程還會(huì)講解PX4中各種模式的切換、一鍵起飛、一鍵降落等過(guò)程。為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)良好的飛行效果與用戶體驗(yàn)，這些模塊都值得專(zhuān)門(mén)地研究。

PX4速度控制框圖

第三步，改代碼

盡管PX4已經(jīng)很強(qiáng)大，但也不能說(shuō)完美無(wú)缺，而且不可能完全滿足需求。課程將以兩個(gè)典型例子展開(kāi)，幫助學(xué)員實(shí)現(xiàn)改代碼的能力。

第一個(gè)例子是在科研領(lǐng)域熱門(mén)的SO(3)控制。

PX4雖然使用了四元數(shù)作為姿態(tài)控制，但是其中涉及歐拉角的計(jì)算，并不能完全避免歐拉角奇異值的問(wèn)題?；赟O(3)的控制器能夠完美地避免歐拉角的缺陷，實(shí)現(xiàn)任意姿態(tài)的飛行控制，而且基于SO(3)的姿態(tài)控制能夠方便地與軌跡規(guī)劃結(jié)合。

第二個(gè)例子是自抗擾控制器(ADRC)，和PID一樣，該控制算法在工業(yè)界得到廣泛的應(yīng)用和驗(yàn)證。

通過(guò)加入觀測(cè)器，ADRC實(shí)現(xiàn)更魯棒的控制，抗擾動(dòng)能力更強(qiáng)。通過(guò)學(xué)習(xí)這個(gè)例子，學(xué)員不僅能夠?qū)W會(huì)這兩個(gè)控制器算法，而且能夠?qū)崿F(xiàn)算法與邏輯的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)自定義數(shù)據(jù)格式與日志記錄，為日后的創(chuàng)新打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

審核編輯：黃飛