位置控制与姿态控制架构

本文介绍PX4开源飞控中多旋翼无人机的控制框架
参考链接：https://docs.px4.io/main/en/flight_stack/controller_diagrams.html

• PX4使用标准的串级控制架构（cascaded control）
• 位置和姿态控制器是P和PID控制器的混合控制方式
• 控制器的估计值（如当前位置、速度、姿态等）来自PX4内部的EKF2模块
• 根据PX4飞行模式的不同，外部（位置）控制环路可能会被绕过。

位置环控制器

• 通过参数MPC_XY_VEL_MAX来限制速度设定值（仅针对水平速度）；
• 但是需要区别MPC_XY_VEL_MAX和MPC_XY_CRUISE (autonomous modes) 、MPC_VEL_MANUAL(manual position control mode)这两个参数；

速度环控制器

• 速度环控制器用于速度追踪控制，输出指令为加速度设定值；
• 加速度设定值不会进行限幅，而是通过后续的最大倾斜角度（maximum tilt angle）来进行限制；

加速度设定值->推力和姿态设定值的转换关系

• 加速度设定值（setpoint）是速度控制器的输出；
• 在计算相应的推力后进行推力饱和处理：
  • 计算所需的垂直推力（thrust_z）
  • 通过参数MPC_THR_MAX来限制thrust_z
  • 通过参数(MPC_THR_MAX^2 - thrust_z^2)^0.5来限制thrust_xy
• 实现细节可以在PositionControl.cpp和ControlMath.cpp中找到。

角度环控制器

• 角度环控制器是基于四元数编程的；
• 控制器理论可以参考论文；
• 如果需要进行参数调节，那只需要调整P增益；
• 输出给角速率环控制器的指令被经过一个限幅；

角速率环控制器

• 整体为K-PID控制器。有关参数调节的更多信息，请参阅速率控制器；
• K是一个整体增益调节参数；
• 在积分环节中，有一个积分限幅，防止wind up现象；
• 在微分环节中，加入了一个低通滤波器（LPF）来降低噪声；
• 控制器最后有一个整体限幅（在控制分配模块中），通常为-1和1；