多旋翼飞行器的控制分配 来自知乎across

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多旋翼飞行器的控制分配
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误入工科的编程渣 微信公众号 across说

1、什么是控制分配？

对于多旋翼飞控，一般而言将整个控制回路进行分层设计，比如位置控制、速度控制、姿态控制等，而控制分配则负责将上层控制器得到的输出（滚转、俯仰、偏航的力矩），映射到执行机构，即电机，进行转速输出。简单来讲，如下所示：

2、控制分配有什么好处？

Ø 单独设计控制分配，可以将底层控制与上层控制进行分离，便于控制器的设计；

Ø 能够防止电机输出饱和，具体后面会讲到；

Ø 能够提升对故障或损伤的鲁棒性，简单来说，例如断桨保护等功能的设计，这部分比较复杂，本文不会讲到；

3、为什么要单独讲解控制分配？

控制分配在工程应用时很容易忽略到，相信设计过飞控软件的人有所体会，这部分内容不会特别关注，电机输出就是简单控制量的加减。这样做也是可以的，能够实现功能，但是不够好，细节部分需要进行优化处理，笔者认为这部分既重要，又容易被忽视，当控制器性能不好时，一味的进行调参是解决不了问题的。

4、下面以工程代码为例，一步步进行逻辑推演讲解：

先看一组最简单的

control_roll、control_pitch、control_yaw为姿态控制器所得的结果，分别代表三个轴向的控制量，这里和油门值直接进行混控，得到每个电机的输出值。

看到这里，相信有些读者对如何确定代码中控制量的正负有疑问？

最粗暴的办法就是：直接试凑，定个符号，然后看实际的电机反馈。当然，这个太low了，我们从理论推演下。

首先需要确定飞行器的机体坐标系，假设以滚转控制量为例，我们认为滚转角roll是左负右正，这样的话，假设往右打杆，目标设定是正，反馈为0 ，产生的控制量为正，这时候2、3电机加上这个正向控制量，1、4减去这个正向控制量，即飞行器往右飞行。同理可得其他方向的符号。

注意下，偏航控制量的符号与电机的顺时针逆时针有关。

这种简单混控的问题？

首先是油门没有限幅，假设遥控器油门通道输出范围在1000~2000，电机接收的范围在1000~2000，如果飞行过程中油门推到最大，则所有的电机用来响应油门通道了，此时，不管你飞行器的姿态控制量分别是多少，都无法响应，这样会导致飞行器不能保持姿态稳定。

改进一

这里将油门通道的值进行比例缩放，电机最多响应70%油门，剩余的30%电机量用来响应姿态控制器的输出，保证控制器的响应裕度。

如何加入飞行器的怠速？

改进二

如图所示，只需在每个电机输出上恒定加入一个转速值，该值就是怠速，一般在行程的10%，如设0，则没有怠速。另外，油门通道的比例也要做一个微调。

写到这里，这是目前市面上很多开源飞控的控制分配写法了，需要注意的是：

Ø 合理分配油门通道的响应，姿态控制输出的裕度；

Ø 姿态控制器的输出限幅，要定一个合理的范围，过大过小都没有意义；

这种控制分配有哪些问题？

首先，就是控制器的输出限幅，这个很难确定一个合理范围；

其次，油门最低时，如果执行外八/内八加锁操作，飞行器易翻机，电机输出用来最大响应yaw控制量，直观现象就是对角的电机转速差异很大，甚至有电机停转；

再者，极端情况下，比如三个轴向的控制量都很大，生成的电机输出超过了最大值，比如得到2200，做不到优先保证姿态控制量的响应；这种情况需要降油门或者缩放姿态控制量，保证输出在范围内。

还有一些细节问题与其有关。

比如只打yaw杆，理论上飞行器应该绕轴旋转，但实际很多都是画圈飞行，当然这个主要问题在于姿态控制，但是也与控制分配有关，如果打杆速度很快，yaw产生的控制量很大，roll和pitch方向上没有充分的裕度进行响应。

推广到六轴或八轴，如其中一个电机不转，能否平稳飞行？

答案是这种控制分配方法更易出问题，简答理解就是，有一个电机停转，那分配到其他电机的转速是增大的，这样很容易电机饱和。当然，如果本身电机输出没到饱和状态，也是可以继续稳定飞行的。

总结一下：

一个好的控制分配算法至少要能解决：

油门控制量过大过小时，能够有充分的姿态控制裕度，这样才能保证飞行稳定；

简单来说，要能够根据电机输出的大小，能够进行油门量的增大减少，同时对姿态控制量进行缩放。

以pixhawk的控制分配算法mixer为例：

算法步骤：

先不考虑yaw控制量，只融合roll、pitch和油门。得到电机输出的最大最小值。

插入一个知识点：

代码里的_roll_scale变量，是根据飞行器的几何构型得到的，以四轴X字型为例

同理计算picth_scale和yaw_scale。

然后根据电机的最大最小输出，计算姿态缩放值roll_pitch_scale和油门量的变化值boost。

油门和姿态进行混控后，加入yaw，再次进行计算。

如果加入yaw后，电机输出饱和，对yaw进行缩放。

最后加入缩放后的yaw和怠速，得到最终的电机输出。

这里就不对代码进行公示推导了，掌握主要思路即可。