Multicopter PID调整指南

本教程说明了如何为所有多直升机设置（Quad，Hexa，Octo等）调整PX4上的PID回路。

通常，如果您使用受支持的特定配置（例如，在QGroundControl> Airframe中使用机身），则默认调整应足以安全飞行。为了获得最佳性能，通常最好对新车进行调试。例如，不同的ESC或电机需要不同的调整增益才能实现最佳飞行。

本指南适用于高级用户。未调谐或部分调谐的车辆很可能不稳定，容易撞车。确保分配了Kill-switch。

介绍

PX4用途Proportional，我ntegral，derivative（PID）控制器（这些是最普遍的控制技术）。

控制器是分层的，这意味着较高级别的控制器将其结果传递给较低级别​​的控制器。最低级别的控制器是速率控制器，然后是姿态控制器，然后是速度和位置控制器。PID调整需要以相同的顺序进行，从速率控制器开始，因为它将影响所有其他控制器。

前提条件

• 您已 为车辆 选择了最匹配的 默认机身配置 。 这应该给您已经飞行的车辆。
• 您应该已经完成 ESC校准 。

• PWM_MIN设置正确。需要将其设置为较低，但要确保在武装车辆时电动机永远不会停止。

  可以在Acro模式或手动/稳定模式下进行测试：

  • 卸下螺旋桨
  • 武装车辆并将油门降至最低
  • 将车辆向各个方向倾斜约60度
  • 检查没有电机关闭

• （可选）使用 SDLOG_PROFILE 参数 启用高速率日志记录配置文件， 以便您可以使用日志评估速率和姿态跟踪性能（此后可以禁用该选项）。

调整车辆时，请始终禁用MC_AIRMODE。

调整步骤

出于安全原因，默认增益设置为较低的值。您必须增加增益，然后才能获得良好的控制响应。

以下是调优时要遵循的一些一般要点：

• 所有增益都应非常缓慢地增加，因为较大的增益可能会导致危险的振荡！ 通常，每次迭代将增益提高20-30％，对于最终的微调，增益降低到5-10％。
• 更改参数之前先着陆。 缓慢增加油门并检查是否有振动。
• 围绕悬停的推力点调整车辆，并使用 推力曲线参数 说明推力非线性或高推力振荡。

费率控制器

速率控制器是最内部的回路，带有三个独立的PID控制器，用于控制车身速率（偏航，俯仰，横滚）。

调整好的速率控制器非常重要，因为它会影响所有飞行模式。在位置模式下，调谐不良的速率控制器将可见，例如，“抽搐”（车辆将无法在空中完美静止）。

费率控制器架构/表格

PX4在单个“混合”实现中支持两种（数学上等效）PID速率控制器形式：并行和标准。

用户可以通过将另一种形式的比例增益设置为“ 1”来选择使用的形式（即，在下图中，将并行形式的K设置为1，将标准形式的P设置为1-这将替换K或P块用一行）。

• G（s） 代表车辆的角速度动态
• r 是速率设定点
• y 是身体角速度（由陀螺仪测量）
• e 是速率设定值和测得速率之间的误差
• u 是PID控制器的输出

两种形式如下所述。

导数项（）在反馈路径上，以避免产生称为导数踢的效应。

有关更多信息，请参见：

• 并非所有的PID控制器都相同 （www.controleng.com）
• PID控制器>标准与并行（理想）PID形式 _PID_form）（Wikipedia）

平行形式

的并行形式是最简单的形式，并且（因此）在教科书常用。在这种情况下，控制器的输出仅是比例，积分和微分作用之和。

标准格式

这种形式在数学上等同于并行形式，但是主要优点是（即使看起来很直观）也使比例增益调谐与积分增益和微分增益脱钩。这意味着可以通过采用具有类似尺寸/惯性的无人机的增益轻松调整新平台，并只需调整K增益即可使其正常飞行。

速率PID调整

PID速率控制器的调整相关参数为：

• 滚动率控制（ MC_ROLLRATE_P ， MC_ROLLRATE_I ， MC_ROLLRATE_D ， MC_ROLLRATE_K ）
• 音调控制（ MC_PITCHRATE_P ， MC_PITCHRATE_I ， MC_PITCHRATE_D ， MC_PITCHRATE_K ）
• 横 摆 率控制（ MC_YAWRATE_P ， MC_YAWRATE_I ， MC_YAWRATE_D ， MC_YAWRATE_K ）

速率控制器可以在Acro模式或手动/稳定模式下进行调整：

• 首选 Acro模式 ，但难以飞行。 如果选择此模式，请禁用所有stick expo：
  • MC_ACRO_EXPO = 0， MC_ACRO_EXPO_Y = 0， MC_ACRO_SUPEXPO = 0， MC_ACRO_SUPEXPOY = 0
  • MC_ACRO_P_MAX = 200， MC_ACRO_R_MAX = 200
  • MC_ACRO_Y_MAX = 100
• 手动/稳定模式 飞行起来更简单，但是也很难查看姿态或速率控制器是否需要更多的调整。

如果车辆根本不飞：

• 如果初次尝试起飞时有强烈的振动（ 直到它 不飞行），请减小所有 P 和 D 增益，直到起飞为止。
• 如果对RC运动的反应很小，则增加 P 增益。

在“手动”模式或“Acro”模式下，实际的调整大致相同：您可以迭代地调整P和D增益以获得横摇和俯仰，然后调整I增益。最初，您可以对侧倾和俯仰使用相同的值，一旦有了良好的值，就可以通过分别查看侧倾和俯仰响应来微调它们（如果您的车辆是对称的，则不需要这样做）。对于偏航，它非常相似，只是D可以保留为0。

比例增益（P / K）

比例增益用于最小化跟踪误差（下面我们使用P来指代P或K）。它负责快速响应，因此应将其设置得尽可能高，但不要引起振荡。

• 如果 P 增益太高：您会看到高频振荡。
• 如果 P 增益太低：
  • 车辆将缓慢响应输入更改。
  • 在 Acro模式下 ，车辆会漂移，您将不断需要校正以使其保持水平。

微分增益（D）

的d（衍生物）的增益被用于速率阻尼。这是必需的，但应仅将其设置为高，以避免过冲。

• 如果 D 增益太高：由于 D 项会放大噪声 ，因此电动机会发抖（可能很热） 。
• 如果 D 增益太低：步进输入后会出现过冲。

典型值为：

• 标准格式（ P = 1）：对于任何 K 值，介于0.01（4英寸赛车）和0.04（500尺寸）之间
• 平行形式（ K = 1）：在0.0004和0.005之间，取决于 P 的值

积分增益（I）

在我（积分）增益保持错误的记忆。在我任期增加时所需的速度没有达到过一段时间。这一点很重要（尤其是在Acro模式下），但不要设置得太高。

• 如果I增益太高：您会看到缓慢的振荡。
• 如果I增益太低：最好在 Acro模式下 进行测试 ，方法是将车辆倾斜到大约45度的一侧，并保持这种状态。 它应该保持相同的角度。 如果它向后漂移，请增加 I 增益。 当期望和实际速率在较长时间内存在偏差时，在日志中也可以看到 低 I 增益。

典型值为：

• 标准格式（ P = 1）：对于任何 K 值，介于0.5（VTOL平面），1（500尺寸）和8（4“赛车）之间
• 平行形式（ K = 1）：如果 P 约为0.15， 则介于0.3和0.5之间 。音调增益通常需要比滚动增益高一点。

测试程序

为了测试电流增益，在悬停时提供快速的步进输入，并观察车辆的反应。它应立即遵循命令，并且既不振荡也不超调（感觉“被锁定”）。

您可以通过快速将摇杆推到一侧，然后使其快速退回来创建例如滚动的步进输入（请注意，如果只是松开，则摇杆也会摆动），因为它是弹簧负载-调整良好的车辆将遵循这些振动）。

处于Acro模式的经过良好调校的车辆不会随机向一侧倾斜，即使没有任何校正也可以保持数十秒的姿态。

日志

查看日志还有助于评估跟踪性能。这是良好的横摇和横摆率跟踪的示例：

这是通过几次翻转进行滚动率跟踪的一个很好的示例，这会产生极端的步进输入。您会看到车辆超调量很小：

姿态控制器

这将控制方向并通过以下调整参数输出所需的身体速率：

• 滚动控制（ MC_ROLL_P ）
• 音调控制（ MC_PITCH_P
• 偏航控制（ MC_YAW_P ）

姿态控制器更容易调整。实际上，大多数时候根本不需要更改默认值。

要调整姿态控制器，请在“手动/稳定”模式下飞行并逐渐增加P增益。如果您开始看到振荡或过冲，则增益太高。

也可以调整以下参数。这些决定了所有三个轴的最大旋转速度：

• 最大滚动速度（ MC_ROLLRATE_MAX ）
• 最大俯仰率（ MC_PITCHRATE_MAX
• 最大横摆率（ MC_YAWRATE_MAX ）

推力曲线

上面的调整优化了悬停油门周围的性能。但是，可能会在油门全开时开始出现振荡。

为了抵消这一点，可以使用THR_MDL_FAC参数调整推力曲线。

如果更改此参数，可能需要重新调整速率控制器。

默认情况下，从电动机控制信号（例如PWM）到预期推力的映射是线性的-设置THR_MDL_FAC为1使其为二次方。两者之间的值使用两者的线性插值。典型值在0.3到0.5之间。

如果有推力架（或可以测量推力），则可以确定PWM控制信号与电机实际推力之间的关系，并根据数据拟合函数。本笔记本显示了如何THR_MDL_FAC根据先前测得的推力数据计算推力模型系数。

PWM和静态推力之间的映射在很大程度上取决于电池电压。

如果您没有推力架，也可以根据经验调整建模系数。从0.3开始，然后每次增加0.1。如果它太高，您将开始注意到在较低的油门值下会发生振荡。如果它太低，您会发现在较高的油门值下会出现振荡。

空调和混合器饱和

速率控制器输出所有三个轴（滚动，俯仰和偏航）的转矩命令和标量推力值，需要将其转换为单独的电动机推力命令。此步骤称为混合。

例如，对于低推力和大侧倾命令，电动机命令之一可能会变为负值（同样，它可能会超过100％）。这是混频器饱和。车辆实际上不可能执行这些命令（可逆电机除外）。PX4有两种模式可以解决此问题：

• 可以通过减小侧倾指令转矩来使电动机指令均不低于零（禁用空气模式）。 在命令推力为零的极端情况下，这意味着不再可以进行姿态校正，这就是为什么此模式始终需要最小推力的原因。

• 或通过增加（提升）命令推力，使所有电动机命令都不为负（启用Airmode）。这具有很大的优势，即使在低油门或零油门的情况下，也可以正确跟踪姿态/速率。通常可以提高飞行性能。

  但是，它会增加总推力，即使油门减至零，也可能导致车辆继续上升。对于调谐良好，功能正常的车辆并非如此，但是例如，当车辆由于过高的P调谐增益而强烈振动时，可能会发生这种情况。

两种模式都在下面显示，其中有两个电机的2D图示以及辊r的转矩命令。在左边的电动机上r被添加到命令推力上，而在右边的电动机上r被减去。马达推力为绿色。启用空气模式后，命令推力会增加b。禁用时，r减小。

如果混合达到上限，则指令推力会减小，以确保没有命令马达提供超过100％的推力。此行为类似于Airmode逻辑，并且无论是否启用Airmode都将应用此行为。

车辆飞行正常后，您可以通过MC_AIRMODE参数启用Airmode。