第11讲 多旋翼的底层控制资料.pdf

多旋翼飞行器设计与控制多旋翼飞行器设计与控制 第十一讲 多旋翼的底层飞行控制第十一讲 多旋翼的底层飞行控制 全权副教授全权副教授 _buaa@ 自动化科学与电气工程学院 北京航空航天大学 2016年5月19日 北航主南401 自动化科学与电气工程学院 北京航空航天大学 2016年5月19日 北航主南401 2016/5/192 前言前言 东方哲理：中国古人很早就开始利用自动控制思想了都江堰位于四 川省成都市都江堰市城西，坐落在成都平原西部的岷江上，始建于秦 昭王末年(约公元前256～前251)，是蜀郡太守李冰父子在前人鳖灵开 凿的基础上组织修建的大型水利工程，两千多年来一直发挥着防洪灌 溉的作用，是全世界迄今为止，年代 最久、唯一留存、仍在一直使用，以 无坝引水为特征的宏大水利工程它 由分水鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口等部分 组成，充分利用了大自然的原理，实 现了自动分流，自动排沙，控制进水 流量，在两千多年前便完成了自动化 都江堰，图片来源都江堰，图片来源 2016/5/193 给定期望的位置，如何控制多旋翼的电 机使其能够飞到目标位置？ 前言前言 大纲大纲 1.多旋翼底层控制框架和模型化简 2.位置控制 3.姿态控制 4.控制分配 5.电机控制 6.综合仿真 7.飞控原理与调参 8.总结 9.作业 1.多旋翼底层控制框架和模型化简 2.位置控制 3.姿态控制 4.控制分配 5.电机控制 6.综合仿真 7.飞控原理与调参 8.总结 9.作业 2016/5/194 1.多旋翼底层控制框架和模型化简1.多旋翼底层控制框架和模型化简 2016/5/195  底层控制框架底层控制框架 多旋翼的底层控制可以分为四个层次，分 别为位置控制、姿态控制、控制分配和电 机控制 多旋翼的底层控制可以分为四个层次，分 别为位置控制、姿态控制、控制分配和电 机控制 位置控制：位置控制：期望的三维位置- 解算期 望姿态角(滚转、俯仰和偏航) 以及期望总拉力 期望的三维位置- 解算期 望姿态角(滚转、俯仰和偏航) 以及期望总拉力 姿态控制：姿态控制：期望姿态角- 解算期望力 矩 期望姿态角- 解算期望力 矩 控制分配：控制分配：期望力矩和升力- 解算期望力矩和升力- 解算 n个电机的期望转速个电机的期望转速 电机控制：电机控制：期望转速- 解算电机输 入油门(电调PWM占空比) 期望转速- 解算电机输 入油门(电调PWM占空比) 图图.多旋翼底层控制层次多旋翼底层控制层次 d p d Θ ddd ,,   d f d Θ d τ dd , fτ d, ,1,2,, k kn d,k  d, ,1,2,, k kn 1.多旋翼底层控制框架和模型化简1.多旋翼底层控制框架和模型化简 2016/5/196  底层控制框架底层控制框架 图图. 多旋翼全自主控制闭环框图多旋翼全自主控制闭环框图 欠驱动系统：4个输入（总拉力 和三轴力矩 ）控制6个输出（位置 和姿态 角）。

设计多旋翼飞行控制器时，可以采用 欠驱动系统：4个输入（总拉力 和三轴力矩 ）控制6个输出（位置 和姿态 角）设计多旋翼飞行控制器时，可以采用内外环的控制策略内外环的控制策略，其中，其中内环 对多旋翼飞行器姿态角进行控制 内环 对多旋翼飞行器姿态角进行控制，而，而外环对多旋翼飞行器的位置进行控制外环对多旋翼飞行器的位置进行控制 由内外环控制实现多旋翼飞行器的升降、悬停、侧飞等飞行模态 由内外环控制实现多旋翼飞行器的升降、悬停、侧飞等飞行模态 f τp Θ 位置控制器 控 制 分 配 器 d f 姿态控制器 dd ,  d τ d,k  d  电 机 控 制 器 多 旋 翼 d,k  p,v d p 底层控制 ,Θ ω 1.多旋翼底层控制框架和模型化简1.多旋翼底层控制框架和模型化简 2016/5/197  线性简化模型线性简化模型 基于第六章的多旋翼非线性模型，忽略，得 到简化的多旋翼模型如下： 基于第六章的多旋翼非线性模型，忽略，得 到简化的多旋翼模型如下： ee pv e 33 f g m veRe b Θ = Wω  b Jωτ  bb a +ωJωG 其中，为对地位置，为对地速度，为飞 机机体角速度， 为旋转矩阵， 为转动惯量矩阵，， 其他符号定义详见第六章。

其中，为对地位置，为对地速度，为飞 机机体角速度， 为旋转矩阵， 为转动惯量矩阵，， 其他符号定义详见第六章 eee T e3 ,, xyz ppp  p   e e e sinsincossincos cossincos sinsin coscos x y z f p m f p m f pg m            e v b ω RJ T 3 0, 0,1e 1.多旋翼底层控制框架和模型化简1.多旋翼底层控制框架和模型化简 2016/5/198 假设多旋翼处于悬停状态，即 标称输入给定为则此时有 通过在平衡点的小角度线性化，此时， 假设多旋翼处于悬停状态，即 标称输入给定为则此时有 通过在平衡点的小角度线性化，此时， hh hh g     pv vA Θ   dd ,0,,0,pp p  0   ,0fmgτsin,cos1,sin,cos1 cossin sincos 1         3 Re  hh cossin ,,diag 1, 1 , sincos x y p p           pRARΘ 其中其中 可以认为是输入。

进一步，因为可 以得到，所以可以认为 输入是水平通 道模型为 可以认为是输入 进一步，因为可 以得到，所以可以认为 输入是水平通 道模型为线性的 h Θ g   A h g   A Θ 可得到多旋翼的线性模型： （1）水平通道模型 可得到多旋翼的线性模型： （1）水平通道模型  线性简化模型线性简化模型 1.多旋翼底层控制框架和模型化简1.多旋翼底层控制框架和模型化简 2016/5/199  线性简化模型线性简化模型 （3）姿态模型（3）姿态模型 zz z pv f vg m     J Θ = ω ωτ   线性模型线性模型 （2）高度通道模型（2）高度通道模型 线性模型线性模型 b Θ = Wω  b Jωτ 3 WI 小角度假设小角度假设 1.多旋翼底层控制框架和模型化简1.多旋翼底层控制框架和模型化简 2016/5/1910  线性简化模型线性简化模型 （3）姿态模型（3）姿态模型 zz z pv f vg m     J Θ = ω ωτ   （2）高度通道模型（2）高度通道模型 每个通道都为 线性模型！ 每个通道都为 线性模型！ （1）水平通道模型（1）水平通道模型 hh hh g     pv vA Θ   原模型原模型 2.位置控制2.位置控制 2016/5/1911  分类分类 根据根据给定目标轨迹给定目标轨迹的不同，可将位置控制分为三类：定点 控制、轨迹跟踪和路径跟随。

的不同，可将位置控制分为三类：定点 控制、轨迹跟踪和路径跟随 d p 图图. 位置控制三类形式位置控制三类形式 2.位置控制2.位置控制 2016/5/1912 （1）（1）定点控制定点控制（（Set-Point Control）期望目标点是一个常值设计控 制器使得，当时，收敛到0或者在0足够小的邻域内 （2） ）期望目标点是一个常值设计控 制器使得，当时，收敛到0或者在0足够小的邻域内 （2）轨迹跟踪轨迹跟踪（（Trajectory Tracking）期望轨迹是一条与时 间相关的轨迹设计控制器使得，当时，收敛到0或者在0足够 小的邻域内 （3） ）期望轨迹是一条与时 间相关的轨迹设计控制器使得，当时，收敛到0或者在0足够 小的邻域内 （3）路径跟随路径跟随（（Path Following）[1]期望轨迹是一条由参数直 接决定的路径，而不是时间设计控制器使得，当时，收敛 到0或者在0足够小的邻域内 ）[1]期望轨迹是一条由参数直 接决定的路径，而不是时间设计控制器使得，当时，收敛 到0或者在0足够小的邻域内 3 d p t    d tpp   3 d : 0,t p t     d ttpp   3 d p t     d ttpp  分类分类 [1] Hespanha J P. Trajectory-tracking and path-following of underactuated autonomous vehicles with parametric modeling uncertainty. Automatic Control, IEEE Transactions on, 2007, 52(8): 1362–1379. 2.位置控制2.位置控制 2016/5/1913 根据解算出的姿态信息的不同，可将位置控制分为两类： （1） 根据解算出的姿态信息的不同，可将位置控制分为两类： （1）产生期望欧拉角产生期望欧拉角的位置控制。

针对线性系统设计控制器这种类型的位置控制器 最终产生的期望值为欧拉角和拉力 （2） 的位置控制 针对线性系统设计控制器这种类型的位置控制器 最终产生的期望值为欧拉角和拉力 （2）产生期望旋转矩阵产生期望旋转矩阵的位置控制 直接针对非线性耦合系统设计控制器这种类型的 位置控制器最终产生的期望值为旋转矩阵和拉力 的位置控制 直接针对非线性耦合系统设计控制器这种类型的 位置控制器最终产生的期望值为旋转矩阵和拉力 ddd ,, f  dd , fR  分类分类 2.位置控制2.位置控制 2016/5/1914  产生期望欧拉角的位置控制产生期望欧拉角的位置控制  hh hhddhhdphhd  pp ppKppKpp •水平通道模型水平通道模型 hh hh g     pv vA Θ   •期望水平位置动态期望水平位置动态  hh hdhddhhdphhd g   pp A ΘpKppKpp  hh 11 hdhddhhdphhd g     pp ΘApKppKpp 当考虑定点控制时当考虑定点控制时 hdhd2 1 pp0 （1）传统的PID设计（1）传统的PID设计 其中表示参数。

其中表示参数   K  2.位置控制2.位置控制 2016/5/1915  产生期望欧拉角的位置控制产生期望欧拉角的位置控制 zz z pv f vg m     •高度通道模型高度通道模型 •期望高度动态期望高度动态  ddd ddp zz zpzzpzz fmgm pkppkpp  ddd dp zz zzpzzpzz ppkppkpp dd 0 zz pp  d ddp zz pzpzz fmgmkpkpp 当考虑定点控制时，上式就变为当考虑定点控制时，上式就变为 （1）传统的PID设计（1）传统的PID设计 2.位置控制2.位置控制 2016/5/1916  产生期望欧拉角的位置控制产生期望欧拉角的位置控制 （2）开源自驾仪PID设计（2）开源自驾仪PID设计 1）水平通道模型 为了使,我们先针对 1）水平通道模型 为了使,我们先针对  h lim。