四轴的PID控制运算中，输入的期望值、输出的控制值具体意义是什么？遥控器传到单片机的脉宽值、解算得到的姿态角如何与输给四个电调的脉宽对上关系

Jayq

最近刚看完姿态解算的一些资料，然后现在卡在PID控制这里了。以X型四轴为例，X左上为1号电机X1（对应1号电调），右上2号X2、右下3号，机头在1、2号电机间，假定姿态解算出了三个欧拉角roll、pitch、yaw，此时遥控器只加了某个油门值（能悬停）和俯仰方向的某个值（向前飞），问题：
1.据看到的资料，遥控器接收机最终的通道输出是50Hz的PWM信号，脉宽在1~2ms间（或0.5~2.5，假定是前者），PID控制需要目标角度（期望值）与当前测量值（即pitch，单位度）作差得到偏差值，假定为err.pitch（单位度），那么遥控器接收机俯仰通道的脉宽值（单位ms）如何转化为一个PID控制时的期望角度(单位度)？这里面有什么关系吗？还是我看的资料理解错了
2.偏差值err.pitch（单位是度），如何进行PID控制的运算，直接套公式out=err*Kp+Ki*∫err+Kd*D(err)吗？假定在合适的P、I、D值正确计算得到了一个out.pitch的输出值，这个输出值是什么意义(单位是什么)？
3.网上有提到，四轴的四个电机X1=throttle-out.roll+out.pitch+out.yaw，X2=throttle+out.roll+out.pitch-out.yaw.........以1号电机来说，这里的throttle-out.roll+out.pitch+out.yaw得到的是一个什么值？其与传送到1号电调的脉宽值有什么关系？
油门通道的脉宽值又如何与这里的throttle对应上？
因为没学过什么控制理论，以上问题不知道成不成立、或者是否太肤浅，还望知道的朋友指点一下

Jayq

......................................似乎并没有大神解惑(*￣︿￣)

正点原子

帮顶.....

jsxh538

我参考STC开源小四轴写的PID，自我感觉还行吧！！！ 
/****************************X轴，正方向1、4电机；负方向2、3电机************************************************/
   if(YM>YMbit)
    {
PError_pitch=AngleX+X_angle+angle_X*-1;//比例P等于当前角度+遥控器角度+补偿角度
IError_pitch+=PError_pitch;//积分I
if(IError_pitch>1000)IError_pitch=1000;//积分限幅
if(IError_pitch<-1000)IError_pitch=-1000;
out_2x=out_p*PError_pitch+out_i*IError_pitch+(AngleX-Last_pitch)*KD_X;//角度PID
Last_pitch=AngleX;//保留上次角度
IError_GY_rox+=GY_rox-out_2x;//角速度I等于当前角速度减去角度PID输出
if(IError_GY_rox>1000)IError_GY_rox=1000;//角速度I限幅
if(IError_GY_rox<-1000)IError_GY_rox=-1000;
out_X=kp*(GY_rox+out_2x)+ki*IError_GY_rox+kd*(GY_rox-Last_GY_rox);//角速度PID计算
Last_GY_rox=GY_rox;//保留上次角速度
if(out_X>2000){out_X=2000;}  //限制最终输出
if(out_X<-2000){out_X=-2000;} //2000等于最高速4000-零速度2000
  }
   else 
   {IError_pitch=0;IError_GY_rox=0;} //积分清零

A_Jet

我也准备做到pid啦加油

Jayq

回复【4楼】jsxh538:
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你好，谢谢你的指导！看了下您的这个程序，但似乎有很多疑问：

1.    Error_pitch=AngleX+X_angle+angle_X*-1;//
这里的AngleX是解算出来的绕Y轴的俯仰pitch吗？这个AngleX单位是度？
如果遥控器的通道信号脉宽为1ms~2ms，这里的遥控器角度X_angle是按1ms对应-90°（反向），2ms对应+90°(正向)换算得到的吗？补偿角度是不是指校准传感器时的得到的偏差角度、且单位是度？
这里的PError_pitch应该是PID控制算法中所指的偏差e(t)吧？偏差值e(t)=期望值-测量值。所以PError_pitch是一个单位为“度”（角度）的数值，可以这样理解吗？

2.   IError_pitch+=PError_pitch;//积分I
好像.....积分累加需要乘以时间，可算在这里没有看到，不应该是 IError_pitch+=PError_pitch*dt;dt即上次姿态解算时刻到当前时刻的时间间隔dt吗？

3.   if(IError_pitch>1000)IError_pitch=1000;//积分限幅 
      if(IError_pitch<-1000)IError_pitch=-1000;
根据这两句积分限幅，猜测IError_pitch应该在-1000到1000之间才是合理的值，这里的1000这个限幅数值是怎么来的？（比如为什么不是100，不是1W？）

4.   out_2x=out_p*PError_pitch+out_i*IError_pitch+(AngleX-Last_pitch)*KD_X;//角度PID
这句应该是指PID运算，那么其输出值out_2x在这里是一个什么意义的数值？（比如单位是什么？可以理解为目标角速度吗？——毕竟根据后面的程序，这个数值似乎还要进行内环的角速度PID，且是当前的角速度减去out_2x作为角速度PID的输入值，也就是偏差）。out_2x这个数值，大概上来说，可能会是一个多少的数值？可能是500吗？1000？

5.   out_X=kp*(GY_rox+out_2x)+ki*IError_GY_rox+kd*(GY_rox-Last_GY_rox);//角速度PID计算 正2000是根据什么确定的？
后面是不是还会有这样的一个运算：
motor1=throttle+out_X-out_Y+out_Z;
motor2=throttle-out_X|+out_Y-out_Z;
motor3=throttle-out_X+out_Y+out_Z;
motor4=throttle+out_X-out_Y-out_Z;

如果是，这里的motor1这个数值对应于什么？对应于输送到该电机对应的电调、的PWM信号的高电平脉宽值吗？还是定时器的定时时长什么的？

一下子问了好多，感觉自己不明白的太多了
如果可以，还希望您能解答一下
谢谢啦ヽ(??▽?)ノ

jsxh538

回复【6楼】Jayq:
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我解释一下吧！我也是个半瓶水，不对的地方见谅。
我这里，1毫秒对应2000,2毫秒对应4000.相减等于2000.后面积分正负1000、输出限幅正负2000就是根据这个2000来的。
这样也把油门分为2000份,感觉这样好操控一些。你也可以改小或者该大
PError_pitch直接等于当前该轴的角度。如果四轴水平，当前角度就为0或者在0附近，那么PError_pitch就为0或者在0附近。AngleX（只能是pitch和roll其中一个，主要看你把那个轴定位前后，那个轴定为左右），X_angle（如果遥控最高的时候为255（AD转换得来），那么该值等于（当前AD值减去128）除以某个系数)，例如:现在四轴水平。当前AD值为150，系数为2.那么X_angle=（150-128）/2.这样四轴就会倾斜一定角度，具体系数自己定。
angle_X（角度补偿是飞起来后你需要打一点摇杆才能让四轴水平的值）
积分时间我这里直接舍去了，因为整个程序放在定时器5毫秒的中断里面.积分时间=0.005秒。这么小的一个值我直接忽略了。
对于输出motor1=2000+油门+out_X-out_Y+out_Z;（2000对应1毫秒，4000对应2毫秒） 
当占空小于1毫秒时，电调会报警，大于2毫秒也一样。所以最终输出限幅 if (motor1>4000)motor1=4000;if (motor1<2000)motor1=2000;
最后把motor1加载到控制PWM波占空比的寄存器
我是按上面这样理解的，具体的代码你可以参考STC单片机开源的小四轴。传感器的代码参考原子哥的MPU6050/DMP输出

Jayq

回复【7楼】jsxh538:
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再次谢谢！能有人讨论真的比自己一个人百度到处乱看各种资料好多了
花了点时间看了下STC的那个四轴代码，感觉......并没有豁然开朗的感觉，我没看他的遥控信号部分，所以不是很了解那个遥控AD值，还有就是，那个PID运算的积分项和微分项都没有时间项dt或者PID控制运算的周期T，这里我不认为是可以忽略的。
Besides，他这个四轴好像是“十”字型的，不是"X"型的.....
我预想的对象是“X”型大四轴，也就是电机是由电调控制的，电调从飞控得到的控制信号假定为400hz的PWM信号，四个（横滚roll，俯仰pitch,偏航yaw，油门throttle）通道的PWM信号的高电平脉宽表（1~2ms）征通道控制量。


/************************************************************************************************************************************************/
1.我注意到你在回复里说，PError_pitch直接等于当前该轴的角度，“该轴的角度”是指该轴PID控制运算的输入偏差角，对吗？（根据后面的程序，PError_pitch与P值相乘）一开始还以为你说的是当前姿态下该轴欧拉角。
2.angle_X（角度补偿是飞起来后你需要打一点摇杆才能让四轴水平的值）——你这么说，还是不太理解。这个角度来自遥控器吗？还是类似于航模固定翼的那个遥控器校准吗？（这个遥控器上的校准，使得舵机处于平衡位置（如副翼不平，调节遥控器该通道的基准值.....））
3.对了，按你这样写的PID控制，你的四轴（小四轴）能飞吗？

/************************************************************************************************************************************************/
我将你的这段程序重新注释并理解了一下，您帮看下对不对：
if(YM>YMbit) //假如油门大于解锁阀值（可以起飞）
    { 
PError_pitch=AngleX+X_angle+angle_X*-1;//算出PID控制运算公式中的偏差输入{e(t)=期望值-测量值}中的偏差e(t)，PError_pitch即Y轴俯仰通道PID控制运算中的偏差值，等于AngleX（姿态解算得到的欧拉角，单位度，即
测量值）+X_angle（来自遥控俯仰通道的控制量，由控制量以一定系数转换得到的某个角度，此即期望值）+angle_X*-1（这个我不太理解）

IError_pitch+=PError_pitch;//PID控制运算的积分项

if(IError_pitch>1000)IError_pitch=1000;//积分限幅 
if(IError_pitch<-1000)IError_pitch=-1000; 

out_2x=out_p*PError_pitch+out_i*IError_pitch+(AngleX-Last_pitch)*KD_X;//out=比例系数P*偏差值+积分系数I*偏差值的积分+微分系数*偏差值的微分       
Last_pitch=AngleX;//保留上次角度 
IError_GY_rox+=GY_rox-out_2x;//内环角速度PID控制运算的偏差值e(t)，偏差值e(t)=期望值-测量值，这里将外环的角度PID控制的输出控制量out_2x作为测量值？？期望值是陀螺仪测得的该轴的角速度？
if(IError_GY_rox>1000)IError_GY_rox=1000;//角速度I限幅 
if(IError_GY_rox<-1000)IError_GY_rox=-1000; 
out_X=kp*(GY_rox+out_2x)+ki*IError_GY_rox+kd*(GY_rox-Last_GY_rox);//角速度PID计算 
Last_GY_rox=GY_rox;//保留上次角速度 
if(out_X>2000){out_X=2000;}  //限制最终输出 
if(out_X<-2000){out_X=-2000;} //2000等于最高速4000-零速度2000 
  } 
   else  
   {IError_pitch=0;IError_GY_rox=0;} //积分清零

jsxh538

回复【8楼】Jayq:
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我做的大四轴，具体的你可以加我Q；625572776；
if(YM>YMbit) //指的是大于阀值进行PID运算；
angle_X*-1（乘以-1是把angle_X转为负数，这个参数调整时和串口输出时为正数）
IError_GY_rox+=GY_rox-out_2x;//角速度积分项
角速度P项为GY_rox+out_2x；

能量除以光速

输入的是实际角度和理想角度的偏差值，输出的话看用位置式还是增量式，位置式输出的是PWM的比较值，增量式输出的就是PWM比较值的增量

Jayq

回复【10楼】能量除以光速:
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你好！
您这里所指的“理想角度”，具体是多少？可以认为你说的这个“理想角度”是我表述的“期望角度”吗？我的理解，期望角度是来自于遥控器的控制信号转化得到的。
如果使用的是位置式PID，那么输出的就是定时器生成PWM时设置的那个、与CNT寄存器比较的那个比较值吗？实际上应该是PID_OUT_PITCH、PID_OUT_ROLL、PID_OUT_YAW和THROTLLE按公式叠加，然后才送到定时器PWM四个通道的比较值，这样理解对吗？
即位置式PID各轴的输出PID_OUT_PITCH、PID_OUT_ROLL、PID_OUT_YAW


根据公式叠加到油门，得到总输出：
PID_OUTPUT=THROTTLE+PID_OUT_PITCH-PID_OUT_ROLL-PID_OUT_YAW;


根据以上得到的总输出，设置定时器对应通道的PWM比较值：
TIM_SetCompare1(TIM3,PID_OUTPUT);，PID_OUTPUT=THROTTLE+PID_OUT_PITCH-PID_OUT_ROLL-PID_OUT_YAW;

以上，理解和写法对吗？

能量除以光速

回复【11楼】Jayq:
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理想角度就是四轴平衡的时候的pitch,yaw,roll角，三个轴每个都有一个PID，调PID的时候要一个轴一个轴的调，然后把三个PID的输出值累加到一起，就是最终的PWM输出。

困不休

#在这里快速回复#楼主问题解决了没，我有一样的困惑

菜鸟爱问

帮顶     。。。。。。。

张小豪

motor1=throttle+out_X-out_Y+out_Z;
motor2=throttle-out_X|+out_Y-out_Z;
motor3=throttle-out_X+out_Y+out_Z;
motor4=throttle+out_X-out_Y-out_Z;
各位大佬，我不能理解这里的代码。为什么throttle要按这样的规则加减PID输出项才能赋值给电机。？