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四轴总结

作者：林宏伟 时间：2019/11/09

2018年寒假时，学习了一段时间的四轴，分享一些调试的经验。四轴的一些结构和控制的选取就不细讲了。

以下分为三点：

1.PID控制器

2.四轴姿态角

3.调试

1.PID-控制器：

四轴可以理解为一个自动控制系统，涉及自动控制的系统都需要自动控制算法的支持，PID算法是自动控制算法的一种，十分实用。PID可以分成P(比例)I(积分)D(微分)。系统如果要实现自动控制，系统要求有负反馈。

简单说，PID控制器中P 就是比例，就是输入偏差乘以一个系数；I 就是积分，就是对输入偏差进行积分运算；D 就是微分，对输入偏差进行微分运算。PID分为单级PID和串级PID，四轴中使用的串级PID，相比单级PID多了一个PID,可以理解为两个单级PID串在一起。

公式：u = kp*e(t)+Ki*∑ e(t)+kd*(e(t)-e(t-1))

Ｋｐ ＝ ０．６*Ｋｍ

Ｋｄ ＝ Ｋｐ*π／4*ω

Ｋｉ ＝ Ｋｐ*ω／π

其中：

Ｋｐ为比例控制参数

Ｋｄ为微分控制参数

Ｋｉ为积分控制参数

下面分析引用正点原子小四轴，个人觉得十分有用

内环 P：从小到大，拉动四轴越来越困难，越来越感觉到四轴在抵抗你的拉动；到比较大的数值时，四轴自己会高频震动，肉眼可见，此时拉扯它，它会快速的振荡几下，过几秒钟后稳定；继续增大，不用加人为干扰，自己发散翻机。特别注意：只有内环 P 的时候，四轴会缓慢的往一个方向下掉，这属于正常现象。这就是系统角速度静差。

内环 I：前述 PID 原理可以看出，积分只是用来消除静差，因此积分项系数个人觉得没必要弄的很大，因为这样做会降低系统稳定性。从小到大，四轴会定在一个位置不动，不再往下掉；继续增加 I 的值，四轴会不稳定，拉扯一下会自己发散。特别注意：增加 I 的值，四轴的定角度能力很强，拉动他比较困难，似乎像是在钉钉子一样，但是一旦有强干扰，它就会发散。这是由于积分项太大，拉动一下积分速度快，给 的补偿非常大，因此很难拉动，给人一种很稳定的错觉。

内环 D：这里的微分项 D 为标准的 PID 原理下的微分项，即本次误差-上次误差。在角速度环中的微分就是角加速度，原本四轴的震动就比较强烈，引起陀螺的值变化较大，此时做微分就更容易引入噪声。因此一般在这里可以适当做一些滑动滤波或者 IIR 滤波。从小到大，飞机的性能没有多大改变，只是回中的时候更加平稳；继续增加 D 的值，可以肉眼看到四轴在平衡位置高频震动(或者听到电机发出滋滋的声音)。前述已经说明 D 项属于辅助性项，因此如果机架的震动较大，D 项可以忽略不加。

外环 P：当内环 PID 全部整定完成后，飞机已经可以稳定在某一位置而不动了。此时内环 P，从小到大，可以明显看到飞机从倾斜位置慢慢回中，用手拉扯它然后放手，它会慢速回中，达到平衡位置；继续增大 P 的值，用遥控器给不同的角度给定，可以看到飞机跟踪的速度和响应越来越快；继续增加 P 的值，飞机变得十分敏感，机动性能越来越强，有发散的趋势。

2.四轴姿态角：

俯仰角（pitch）：机体坐标系 X 轴与水平面的夹角，围绕 X 轴旋转。当 X 轴的正半轴位于过坐标原点的水平面之上（抬头）时，俯仰角为正，否则为负。

偏航角（yaw）：机体坐标系 X 轴在水平面上投影与地面坐标系 Xg 轴之间的夹角，围绕 Y 轴旋转。机头右偏航为正，反之为负。

滚转角（roll）：机体坐标系 Z 轴与通过机体 Z 轴的铅垂面间的夹角，围绕 Z 轴旋转。机体向右滚为正，反之为负。

3.四轴调试：

我们给内环 ROL 速率和 PIT 速率的 P 同时设置一个值，然后推动油门至 50 左右观察并记录现象：

下面是测试我们不同 P 的值和对应的现象：

P = 10 时，四轴乱晃无法固定于某一个角度，用手轻轻干扰四轴会绕绳子旋转，说明 P值太小，力度不够。

P = 100 时，四轴晃动幅度减小但还是无法固定于某一个角度，用手轻轻干扰四轴还会绕绳子旋转，说明 P 值还是太小，力度不够

P = 1000 时，四轴已经不晃动了，用手轻轻干扰明显感觉有回复力，说明 P 值已经慢慢趋向理想值。

P = 5000 时，四轴机身晃动严重已经震荡，说明 P 值已经过大，由此可确定理想的 P 值应该在 1000~5000 范围内。

P = 2500 时，四轴不晃动并且能固定在某一个角度了，机身也不震荡，用手去干扰能感觉到明显的回复力。说明 P 值已经很接近理想值了。

P = 3500 时，四轴机身轻微晃动说明已经轻微震荡，用手去干扰能感觉到很强的回复力。说明 P 值已经稍大于理想值了。

P = 3200 时，四轴没有晃动，用手去干扰能感觉到很强的回复力并有点晃动。说明 P 值就是我们的理想值了，晃动问题后期可以通过加点 D 抑制。

调内环 pitch 和 roll 的 D

内环 P 已经调节好，但如果四轴受到干扰则会震荡，说明稳定性不好，这时我们就需要通过加 D 来增强稳定性。按照第四步的操作方法，设置 P 值为 3200，,测试不同的 D 值对应的现象：

D=10 时，用手去干扰四轴，能感觉到很强的回复力并有点晃动，说明 D 值有点小，抑制不了干扰。

D=100 时，用手去干扰四轴，能感觉没有晃动了但四轴需要长时间才能回复到水平，说明 D 值太大了，抑制了 P 的调整。

D=50 时，用手去干扰四轴，能感觉没有晃动了四轴也能较快回复到水平，说明 D 值接近理想值了。

调外环 pitch 和 roll 的 P

内环调好了，下面我们开始调外环。外环的主要作用是控制四轴姿态响应快慢，下面我们测试不同的 P 值，观察四轴的响应速度。按照前面操作方法，我们测试 P 值和现象如下：

P=10 时，方向摇杆往前打到最大，发现四轴慢慢倾斜，最终达到设定角度。响应速度不够快，说明 P 太小了。

P=100 时，方向摇杆往前打到最大，四轴瞬间倾斜了达到设定角度，而且力量很大。说明 P 值太大了。

P=50 时，方向摇杆往前打到最大，四轴较快的达到设定角度，不是很快也不是很慢。说明 P 值是我们理想值了。

调内环 yaw 的 PID

调节内环 yaw 的 PID 前需将第一步注释掉的 ENABLE_PID_TUNING 宏定义重新注释回来，并且编译下载至四轴。然后设置 yaw 外环 P 为 10，内环 P 设定为某一个值，慢慢推油门让四轴起飞至水平，推油门摇杆时不要向左或向右打到航向角。飞至水平后，推油门至50，然后用手轻轻向左边或向右拨动四轴，感受四轴的回复力，并且听电机的声音。下面是我们设置不同内环 P 的值时对应的现象：

当 P=10 时，四轴几乎没有回复力，受干扰后左右摆晃，电机声音差异不大。说明 P 值太小了，没有修正的回复力。

当 P=100 时，四轴有一点点回复力，受干扰后左右摆晃，电机声音差异不大。说明 P值还是太小。

当 P=1000 时，四轴有明显的回复力，受干扰后不会摆晃，电机声音差异很大。说明 P值接近理想值了。

当 P=5000 时，四轴有明显的回复力，受干扰后两个电机停止转动，电机声音差异非常大。说明 P 值已经太大了。跟以上调试现象和经验我们最终选定 P 值为 1200，然后再逐渐添加一点了积分 I，没有添加 D。内环的反馈是陀螺仪，航向角也是由陀螺仪积分而得，陀螺仪在四轴飞行过程有高频干扰，高频干扰使得 D 具有相反作用，所以我们没有添加 D。

调外环 yaw 的 PID

调节外环 yaw 的 P 和调节外环 pitch\roll 的 P 方法一样，主要是调节四轴的受控制的响应速度。给外环 yaw 的 P 设定一个值然后推油门和航向角，感受四轴旋转的快慢。这里我们选定 P 的值为 100。

手动试飞

经过以上步骤调试，四轴基本可以手动飞行了，松开绳子测试手动飞行。飞行过程中如果在无风条件下发现四轴晃动说明内环 pitch 和 roll 的 P 值大了，这时可以通过减小 P 或增加 D 来抑制晃动。如果发现航向角受外力干扰不能快速回复到原本状态，这可能是内环 yaw的 P 太小了，需要增加 P。如果发现飞行过程会慢慢自旋，说明 yaw 的 I 太大了，需要减小I 值。经过以上反复调试，

调定高的 PID

定高 PID 调节是比较揪心的，调试过程我们按照正常的 PID 调试方法先调 P 再调 I 最后调节 D，反复调试发现根本行不通，四轴依旧很难定在一定高度范围内。后来经过分析，我们发现使用气压计定高，气压数据有很大的滞后性，并且四轴飞行过程垂直向下的风也会干扰气压读数。所以我们调试时不管怎么调节 P，出现的现象是要么慢慢的上升或慢慢的下降，要么快速上蹿下跳，根本不受控制。后来我们根据 PID 理论中 D 有抑制超调和干扰的作用，索性把 D 也先加上一点点，果然有效果，四轴上蹿下跳没那么厉害了。继续增加 D四轴更加稳定了，当 D 增加到很大时，我们发现，推动油门四轴不怎么受控制了，说明 D值太大了将 P 的作用都抑制了。反复调试后，我们最终选定 PID 的值为 210,0,600。

总结

PID 三项的的意义：P 是系统平衡的回复力； I 是消除误差，有辅助 P 的作用；D 是阻尼，抑制超调和干扰的作用。调试时一般先调节 P 找到临界震荡的 P 值，然后减小一点 P值，增加 I 值消除静态误差，最后增加 D 值抑制干扰。要不要加 I 和 D 需根据实际情况而定。调试定高 PID 时，需要 P 和 D 同时调。PID 调试是比较繁琐的事情，需要耐心观察现象并分析原理。

操作系统

这是高手.

Gobben

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