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PX4飞控|多旋翼飞行器常见的4 种典型人工控制模式控制详解

 limao164 2023-08-22 发布于四川

一. 飞行控制基础理论

1. 控制律:

控制律基本概念:

控制律( control law ),使飞行控制系统形成控制指令的算法,描述了受控状态变量与系统输入信号之间的函数关系飞行器执行机构对于操纵输入的响应规律。

1.1 Position(定点,位置)模式

综述位置模式是最容易操纵的控制模式,俯仰、横滚操纵杆控制飞行器沿水平面的前向速度和侧向速度 地速),油门杆控制垂向速度 地速)偏航杆控制偏航角速度。当所有操纵杆全部回中时,飞行器会停止沿各轴运动并保持当前水平位置和高度,抵抗风和其他外来干扰。

要点总结

①俯仰、横滚、油门杆的操纵输入将映射为飞行器的期望速度指令并传递给飞控,作为控制器的输入,即俯仰、横滚、油门杆控制飞行器 沿水平面的前向速度,侧向度和垂向速度(摇杆位置处于死区之外时)。

③偏航杆操纵输入将映射为期望偏航角速度指令传递给飞控,即偏航杆控制飞行器沿 z 轴的旋转速度(即偏航角速度)。

④所有操纵杆全部回中是(摇杆处于死区之内),飞行器沿 水平面的 期望前向速度, 期望侧向 度和 期望垂向速度指令为 0,绕 z 轴的期望角速度指令为 0,飞行器会保持当前水平位置和高度,并抵抗风与外界的干扰。

position 起飞操纵要点:

在该模式下起飞,油门杆量务必推到满行程的 62.5%及以上。

Position 着陆操纵要点:

①若着陆检测成功则电机会在触地后几秒内停止旋转并上锁,若电机持续在较高的转速旋转或开始加速旋转,首先切换到姿态增稳(stablized,mannual), 然后将油门杆拉到最低。

②由于 GPS 水平位置漂移,着陆时飞行器可能会翻倒在地面上。

相关参数:

1.2 Altitude(定高)模式

综述定高模式是相对容易操纵的控制模式,俯仰、横滚操纵杆控制飞行器的俯仰角、横滚角,油门杆控制爬升-下降的速度。偏航杆控制偏航角速度。当所有操纵杆全部回中,飞行器的飞行姿态将恢复水平,但是摇杆回中后,由于惯量,飞行器沿水平面的运动仍会持续,只能随着外界干扰和阻力缓慢减速,飞行器不会抵抗风和其他外来干扰。

要点总结:

①横滚、俯仰杆的操纵杆输入将映射为飞行器绕机体x,y两个轴旋转的期望角度指令传递给飞控,即横滚、俯仰杆控制横滚角和俯仰角。

②油门操纵杆输入将映射为期望垂向速度指令传递给飞控,即油门杆控制飞行器沿 z 轴的线运动速度,即爬升速度和下沉速度(摇杆位置处于死区之外时)。

③偏航操纵杆输入将映射为期望偏航角速度指令传递给飞控,即偏航杆控制飞行器绕 z 轴的旋转角速度(偏航角速

④所有操纵杆全部回中(油门摇杆位置处于死区之内),飞行器的期望俯仰角、 期望横滚角, 期望偏航角速度指令为 0,飞行器姿态恢复水平,停止绕 z 轴的角运动、保持当前高度,但不会抵抗风和其他外来干扰。

定高模式起飞操纵要点:

在该模式下起飞,油门杆量务必推到满行程的 62.5%及以上。

定高模式着陆操纵要点:

若着陆检测成功则电机会在触地后几秒内停止旋转并上锁,若电机持续在较高的转速旋转或开始加速旋转,首先切换到姿态增稳(stablized,mannual), 然后将油门杆拉到最低。

定高模式悬停操纵要点:

飞行器在距离地面较近,或者飞行器正下方为水面或者树木或者其他反光或者吸波材质时,飞行器的测距传感器读数会异常,此时高度信息源将会切换至气压计,高度控制会有些许上下浮动,属于正常现象。

相关参数:

1.3 Manual/stabilized(姿态增稳)模式

综述姿态增稳模式的操纵要求对油门通道掌握一定的操纵技巧,俯仰、横滚操纵杆控制飞行器的俯仰角、横滚角,油门杆直接控制电机的 pwm 输出,偏航杆控制偏航角速度。当俯仰、横滚操纵回中后,飞行器的飞行姿态将恢复水平,飞行器的高度或者垂向速度需要操纵员根据经验实际情况进行调整,俯仰横滚杆回中后,由于惯量,飞行器沿水平面的运动仍会持续,只能随着外界干扰和阻力缓慢减速,飞行器不会抵抗风和其他外来干扰。

要点总结:

①横滚、俯仰杆的操纵杆输入将映射为飞行器绕机体坐标系x,y两个轴旋转的期望横滚角和 期望俯仰指令传递给飞控,即横滚、俯仰杆控制横滚角和俯仰角。

油门杆的操纵输入指令将映射为控制器输出直接传递给混控器(直接控制PWM输出)。

③偏航杆操纵输入指令映射为期望偏航角速度指令传递给飞控,即偏航杆控制飞行器绕 z 轴的旋转速度(偏航角速 )。

④所有操纵杆全部回中,飞行器的期望俯仰、横滚角度,期望偏航角速度指令为 0,电机指令为油门杆位置映射的 pwm 输出,飞行器姿态将恢复水平,停止绕 z 轴的角运动、高度或垂向速度将由当前 pwm 输入对应电机总拉力大小与飞行器重力的大小关系决定。

姿态增稳模式悬停操纵要点:

在该模式下操纵飞行器悬停时,注意油门杆操纵杆量需要根据飞行器的运动趋势进行及时调整,在某中意义上讲,油门杆操纵输入与z向的加速度线性相关。

1.4 ACRO(特技,角速率增稳)模式

综述角速率增稳模式的操纵要求操纵手需要掌握比较高超的飞行技巧,俯仰、横滚、偏航操纵杆控制飞行器的俯仰、横滚、偏航角速度,油门杆 直接控制电机的 pwm 输出。 当俯仰、横滚杆回中后,飞行器的俯仰、横滚、偏航角速率为 0,但是飞行姿态不会恢复水平,飞行器将维持当前姿态,且根据当前运动趋势继续运动。

要点总结:

①横滚、俯仰、偏航杆的操纵杆输入将映射为飞行器绕机体坐标系x,y,z三个轴的期望角速度指令传递给飞控,即横滚、俯仰、偏航杆控制横滚、俯仰、偏航角速度。

油门杆的操纵输入指令将映射为控制器输出直接传递给混控器(直接控制PWM输出)

③所有操纵杆全部回中,飞行器的期望俯仰、横滚、偏航角速度指令为0,电机指令为油门杆位置映射的 pwm 输出,飞行器将停止绕 机体坐标系x,y,z 三个轴的角运动、高度或垂向速度将由当前 pwm 输入对应电机总拉力大小与飞行器重力的大小关系决定。

角速率增稳模式悬停操纵要点:

在该模式下操纵飞行器可以进行相应的特技动作,如横滚,筋斗等

杆输入映射:

该模式下默认的滚转、俯仰和偏航操纵杆输入映射如下所示。该曲线使得在最大杆输入处具有大的角运动速率能够进行特技动作,在靠近杆回中位置的区域具有较低灵敏度以方便进行精准操纵。

可以使用 MC_ACRO_EXPO 和 MC_ACRO_SUPEXPO“指数”参数调整滚转和俯仰轴杆输入响应,同时使用 MC_ACRO_EXPO_Y 和 MC_ACRO_SUPEXPOY 调整偏航轴杆输入响应。

MC_ACRO_EXPO 和 MC_ACRO_EXPO_Y 参数 用 于 调 整 线 性 曲 线和三 次 曲 线之间的 曲 线 , 如 下 所 示 。MC_ACRO_SUPEXPO 和 MC_ACRO_SUPEXPOY 允许进一步调整曲线形状,修改低灵敏度区域的宽度。

相关参数:

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