多旋翼PID调参（手动/高级）

本主题提供有关PX4控制器以及如何调参的详细信息。

TIP

对于在悬停推力点附近对飞行器进行调参，建议使用自动调参功能，因为其方法直观、简便且快速。这满足了许多飞行器的需求。

当自动调参在悬停推力点附近调整效果不佳时（例如，飞行器在更高推力时存在非线性和振荡情况），手动调参就派上用场了。此外，深入了解基本调参的工作原理以及如何使用飞行模式（Airmode）设置，手动调参也很有帮助。

调参步骤

INFO

出于安全考虑，默认增益设置为较低值。您必须增大增益才能获得良好的控制响应。

以下是调参时需遵循的要点：

• 调整增益时，所有增益值都应缓慢增加，因为增益过大可能会引发危险的振荡！一般每次增益值的调整幅度约为20% - 30%，在获得最优增益值后，基于该最优值再下调5% - 10%。
• 在修改参数前务必先着陆。缓慢增加油门，观察是否出现振荡现象。
• 在悬停推力点附近对飞行器进行调参，并使用推力曲线参数来解决推力非线性或高推力振荡问题。
• 可选择使用SDLOG_PROFILE参数启用高速率日志记录配置文件，以便通过日志评估速率和姿态跟踪性能（之后可禁用该选项）。

WARNING

调参时务必禁用MC_AIRMODE。

角速度控制器

速率控制器是最内层的控制环，包含三个独立的PID控制器，用于控制机体的角速度（横滚、俯仰、偏航）。

INFO

一个调校良好的速率控制器非常重要，因为它会影响所有飞行模式。例如，在位置模式下，如果速率控制器调校不佳，飞行器会出现“抖动”或振荡（飞行器无法在空中完全静止悬停）。

速率控制器架构/形式

PX4在单一的“混合”实现中支持两种（数学上等效）形式的PID速率控制器：并行模式（Parallel）和标准模式（Standard）。

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（即在下面的图表中，对于并行模式，将K设置为1；对于标准模式，将P设置为1 - 这将用一条线替换K或P模块）。

• G(s) 表示飞行器的角速率动力学特性。
• r 是速率设定点。
• y 是机体角速率（由陀螺仪测量）。
• e 是速率设定点与测量速率之间的误差。
• u 是PID控制器的输出。

这两种形式将在后面详细介绍。

INFO

微分项（D）位于反馈路径上，以避免一种称为微分冲击的效应。

TIP

有关详细信息，请参阅：

• 并非所有PID控制器都相同（www.controleng.com）
• PID控制器 > 标准模式与并行（理想）模式（维基百科）

并行模式

并行模式 是最简单的形式，因此在教科书中经常使用。在这种情况下，控制器的输出只是简单地将比例项、积分项和微分项相加。

标准模式

这种形式在数学上与并行模式等效。其主要优点（尽管看似有点违反直觉）是将比例增益的调试与积分增益和微分增益分离开来。这意味着对于一个新的平台，通过使用相同尺寸/推力无人机的增益，只需简单调整K增益就更容易使其正常飞行。

角速度PID调试

调试角速度PID控制器涉及以下参数：

• 横滚速率控制（MC_ROLLRATE_P、MC_ROLLRATE_I、MC_ROLLRATE_D、MC_ROLLRATE_K）
• 俯仰速率控制（MC_PITCHRATE_P、MC_PITCHRATE_I、MC_PITCHRATE_D、MC_PITCHRATE_K）
• 偏航速率控制（MC_YAWRATE_P、MC_YAWRATE_I、MC_YAWRATE_D、MC_YAWRATE_K）

速率控制器可在特技飞行模式（Acro mode）或稳定模式（Stabilized mode）下进行调试：

• 特技飞行模式 更受青睐，因为它允许进行独立的速率控制测试。然而，驾驶难度会显著增加。

  WARNING

  如果选择此模式，您必须禁用所有摇杆指数，并为所有轴设置合理的最大速率：

  • 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

  对于PX4 v1.15及更高版本，默认设置为此目的，所有轴的最大速率为100°/s线性映射。

• 稳定模式 飞行更简单，但要区分特定行为是由姿态控制器还是速率控制器引起的，则要困难得多。

如果您的飞行器根本无法起飞：

• 如果首次尝试起飞时出现强烈振荡（以至于无法起飞），降低所有的P和D增益，直至飞行器能够起飞。
• 如果对遥控器操作的反应极小，增大P增益。

在 手动模式 或 特技飞行模式 下，实际调参过程大致相同：您需要反复调试横滚和俯仰的P和D增益，然后调试I增益。一开始，横滚和俯仰可以使用相同的值，待大致调好后，在精细调试阶段可分别对横滚和俯仰进行调整（如果您的飞行器是对称的，就无需再进行精细调整）。对于偏航，过程非常相似，只是D增益可以设为0。

比例增益 (P/K)

比例增益用于最小化跟踪误差（以下我们用P来指代P或K）。它可以加快响应速度，因此应在不引发振荡的前提下尽量设高。

• 如果P增益过高：您会看到高频振荡。
• 如果P增益过低：
  • 飞行器对遥控器的输入反应迟钝。
  • 在 特技飞行模式 下，飞行器会漂移，您需要不断修正以保持其水平。

微分增益 (D)

D（微分）增益用于速率阻尼。同样，此值应尽量设大以避免超调。

• 如果D增益过高：电机会变得抖动（可能还会发热），因为D项会放大噪声。
• 如果D增益过低：在阶跃输入后会出现超调。

典型值如下：

• 标准模式（P = 1）：对于任何K值，在0.01（4英寸竞速机）到0.04（500尺寸飞行器）之间。
• 并行模式（K = 1）：根据P的值，在0.0004到0.005之间。

积分增益 (I)

I（积分）增益会记住误差。当一段时间内未达到期望速率时，I项会增加。它很重要（特别是在飞行 特技飞行模式 时），但不应设置得过高。

• 如果积分增益过高：您会看到缓慢振荡。
• 如果I增益过低：在 特技飞行模式 下测试最佳，将飞行器向一侧倾斜约45度并保持。它应该始终保持该角度。如果它漂移回来，增大I增益。在日志中，如果期望速率与实际速率在较长时间内存在偏差，也表明I增益较低。

典型值如下：

• 标准模式（P = 1）：对于任何K值，在0.5（垂直起降固定翼飞机）、1（500尺寸飞行器）和8（4英寸竞速机）之间。
• 并行模式（K = 1）：如果P约为0.15，在0.3到0.5之间。俯仰增益通常需要比横滚增益略高。

测试步骤

要测试当前增益，在悬停时提供快速的阶跃输入，观察飞行器的反应。它应该反应迅速，振荡和超调量都较小（有一种“锁定”的感觉）。

例如，在横滚方向上进行阶跃输入，将横滚摇杆推向一侧，然后迅速回中（注意，如果直接松手，由于摇杆的弹簧结构，它会振荡 - 调好的无人机会跟随这些振荡）。

INFO

在 特技飞行模式 下，调参良好的飞行器不会随机向一侧倾斜，即使不进行任何修正，也能保持姿态数十秒。

日志

查看日志有助于评估调参效果。以下是一份调参良好的横滚和偏航角速度日志。

以下日志中横滚角速度调试良好，其中有几个翻转动作，即非常极限的阶跃输入。您可以看到飞行器的超调量非常小：

角度控制

角度控制环控制机体的姿态角，并通过以下参数输出目标角速度：

• 横滚控制（MC_ROLL_P）
• 俯仰控制（MC_PITCH_P）
• 偏航控制（MC_YAW_P）

姿态角控制环的调试要容易得多。实际上，大多数情况下默认值就足够了，无需调整。

要调试姿态控制器，在 稳定模式 下飞行，逐步增大P增益。如果看到振荡或超调，说明增益调得过高。

以下几个参数也可调整，它们决定了绕三个轴的最大角速度：

• 最大横滚速率（MC_ROLLRATE_MAX）
• 最大俯仰速率（MC_PITCHRATE_MAX）
• 最大偏航速率（MC_YAWRATE_MAX）

推力曲线

上述调整均基于悬停油门。但当逐渐增大到满油门时，飞行器可能会再次出现振荡。

为解决此问题，可使用THR_MDL_FAC参数调整推力曲线。

INFO

如果更改此参数，可能需要重新调试速率控制器。

默认情况下，从电机控制信号（例如PWM）到预期推力的映射是线性的 - 将THR_MDL_FAC设置为1可使其变为二次方关系。介于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。

如果您有推力测试台 （或者能够同时测量推力和电机指令），您可以确定电机控制信号与电机实际推力之间的关系，并为数据拟合一个函数。PX4中称为actuator_output的电机指令可以是相应电调使用的PWM、Dshot、UAVCAN指令。此笔记本展示了一种如何根据先前测量的推力和PWM数据计算推力模型因子THR_MDL_FAC的方法。此图中显示的曲线由α和k参数化，并且还以实际单位（kgf和μs）显示推力和PWM。为了简化曲线拟合问题，您可以将数据在0到1之间归一化，以找到k而无需估计α（当数据归一化时，α = 1）。

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INFO

PWM与静态推力之间的映射在很大程度上取决于电池电压。

进行此实验的另一种方法是绘制归一化电机指令和推力值的散点图，并通过试验THR_MDL_FAC参数迭代调整推力曲线。此处显示了该图的一个示例：

如果在实验中收集了全量程范围内的原始电机指令和推力数据，可以使用以下公式对数据进行归一化：

normalized_value = ( raw_value - min (raw_value) ) / ( max ( raw_value ) - min ( raw_value ) )

在获得归一化值的散点图后，可以尝试通过绘制以下公式使曲线匹配：

_rel_thrust = ( THR_MDL_FAC ) * rel_signal^2 + ( 1 - THR_MDL_FAC ) * rel_signal*

在0到1的归一化电机指令值的线性范围内。请注意，这是固件中用于映射推力和电机指令的公式，如THR_MDL_FAC参数参考中所示。这里，rel_thrust 是0到1之间的归一化推力值，rel_signal 是0到1之间的归一化电机指令信号值。

在上述示例中，当THR_MDL_FAC设置为0.7时，曲线似乎拟合得最佳。

如果您没有推力测试台，也可以凭经验调整建模因子。从0.3开始，每次增加0.1。如果该值过高，在较低油门值时会开始注意到振荡。如果该值过低，在较高油门值时会注意到振荡。

Airmode与混合器饱和

速率控制器输出三个轴（横滚、俯仰和偏航）的扭矩指令以及一个标量推力值，这些需要转换为各个电机的推力指令。这一步骤称为混合。

可能会出现某个电机指令变为负值的情况，例如在低推力和大横滚指令时（类似地，它也可能超过100%）。这就是混合器饱和。除了可反转电机外，飞行器在物理上无法执行这些指令。PX4有两种模式来解决此问题：

• 要么通过降低横滚的指令扭矩，使电机指令均不低于零（Airmode禁用）。在极端情况下，当指令推力为零时，这意味着无法再进行姿态校正，这就是为什么此模式始终需要最小推力的原因。

• 要么通过增加（提升）指令推力，使电机指令均不为负（Airmode启用）。这具有很大的优势，即使在低油门或零油门时，姿态/速率也能正确跟踪。它通常会提高飞行性能。

  然而，这会增加总推力，可能导致即使将油门降至零，飞行器仍继续上升的情况。对于调参良好、功能正常的飞行器，这种情况不会发生，但例如当飞行器因P调参增益过高而强烈振荡时，就可能出现这种情况