飞控算法与操作系统课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2017/12/17,#,2017,飞控算法与操作系统,南宁,中国电子教育学会,上海锡月科技有限公司,无人机技术教学改革研讨会,01,飞控算法,两种结构,“”,字模式：,Pitch,和,Roll,与,1,3,、,2,4,两组电机呈,45,夹角。,“,十,”,字模式：,Pitch,对应,2,4,电机的对轴，,Roll,对应,1,3,电机的对轴，夹角为,0,。,稳定,灵活,六种,飞行状态,四旋翼垂直运动示意图,垂直运动,在四旋翼完成,4,轴平衡的条件下，同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服四旋翼无人机受到的重力时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿,z,轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自身的重力时，飞行器便保持悬停状态。,六种,飞行状态,四旋,翼,俯仰,运动,示意图,俯仰,运动,在四旋翼完成,4,轴平衡的条件下，在,图,5-6,中,，电机,1,、,4,的转速上升，电机,2,、,3,的转速下降（改变量大小应相等，在,PID,程序的实现中也有体现）。由于旋翼,1,、,4,的转速即升力上升，旋翼,2,、,3,的转速即升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕,Roll,轴旋转，同理，当电机,1,、,4,的转速下降，电机,2,、,3,的转速上升，机身便绕,Roll,轴向另一个方向运动，实现飞行器的俯仰运动。,六种,飞行状态,四旋,翼,翻滚,运动,示意图,翻滚,运动,在图中,，在四旋翼完成,4,轴平衡的条件下，提高,3,、,4,号电机的转速，减慢,1,、,2,号电机的转速，则可使机身绕,Pitch,轴的正向或者反向进行运动，实现飞行器的翻滚运动。,六种,飞行状态,四旋,翼,航向,运动,示意图,航向,运动,在图中,，当电机,1,和电机,3,的转速上升，电机,2,和电机,4,的转速下降时，旋翼,1,和旋翼,3,对机身的反扭矩大于旋翼,2,和旋翼,4,对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕,z,轴转动，实现飞行器的航向运动，转向与电机,1,、电机,3,的转向相反。,六种,飞行状态,四旋,翼,前后,运动,示意图,前后,运动,如果想要实现四旋翼无人机在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在,图中,，增加,1,、,4,号电机转速，使拉力增大，相应减小,2,、,3,号电机转速，使拉力减小，同时反扭矩仍然要保持平衡。,按,俯仰理论,，,飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现无人机的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反,。,六种,飞行状态,四旋,翼,前后,运动,示意图,侧向,运动,与前后运动对称，与翻滚运动同轴。,控制难点,自身中心偏移,自身气流干扰,外界气流干扰,多变量、非线性、强耦合,欠驱动系统,传感器精度低、误差积累,PID,控制器,（,比例,-,积分,-,微分,控制器,），由比例单元,(P),、,积分,单元,(I),和,微分,单元,(D),组成,1,。透过,Kp,，,Ki,和,Kd,三个参数的设定。,PID,控制器主要适用于基本上线性，且动态特性不随时间变化的系统。,PID,控制器,自动控制系统的特点,稳定性（,P,和,I,降低系统稳定性，,D,提高系统稳定性）,在平衡状态下，系统受到某个干扰后，经过一段时间其被控量可以达到某一稳定状态；,准确性（,P,和,I,提高稳态精度，,D,无作用）,系统处于稳态时，其稳态误差；,快速性（,P,和,D,提高响应速度，,I,降低响应速度）：系统对动态响应的要求。一般由过渡时间的长短来衡量。,自动控制系统的特点,动态特性（暂态特性，由于系统惯性引起）,系统突加给定量（或者负载突然变化）时，其系统输出的动态响应曲线。延迟时间、上升时间、峰值时间、调节时间、超调量和振荡次数。,在通常情况下,上升时间和峰值时间用来评价系统的响应速度；超调量用来评价系统的阻尼程度；调节时间同时反应响应速度和阻尼程度；,稳态特性,在参考信号输出下，经过无穷时间，其系统输出与参考信号的误差。影响因素：系统结构、参数和输入量的形式等,增量式,PID,与位置式,PID,增量,式,PID,位置,式,PID,特点：,累加历史数据,输出最终绝对加载量,特点：,不累计历史数据，仅与最近三次采样值有关,只,输出控制增量,分离四轴做平衡控制,分离四轴做平衡控制（单级,PID,）,纯比例调节（,P,项）找到,P0,引起等幅震荡,加入微分，反向抑制震荡,，但存在一些静差,加入微弱的积分项，使静差减小，在,-11,间,01,02,03,分离四轴做平衡控制（单级,PID,）,单侧人为扰动后的自稳数据,分离四轴做平衡控制（单级,PID,）,Kd,过,小,的控制效果图,Kd,过,大的控制效果图,无法消除震荡,无法稳定在某一值,掩盖了,Kp,调节作用,使,系统不存在,分离四轴做平衡控制（单级,PID,）,Ki,过,小,的控制效果图,Ki,过,大的控制效果图,调整,率缓慢,引起震荡,单级,PID,当前角度误差,=,期望角度,实际角度,;,PID_P,项,=Kp *,当前角度误差,;,PID_I,项,+=Ki *,当前角度误差,;,PID_I,项 进行积分限幅,;,/,当前角度的微分（原理上为当前角度误差,上一次角度,/,误差，换一个角度来讲角度的微分就是角速度，所以一,/,般用陀螺仪的角速度数据来替代角度的微分）,PID_D,项,=Kd *,当前角速度的微分（陀螺仪数据）,;,单环,PID,总输出,=PID_P,项,+PID_I,项,+PID_D,项,;,单环,PID,总输出限幅,;,是指设定值和当前值的误差，,为控制周期，,为比例系数，,为积分系数，,为微分系数，,为电机调速的基础量。,编程思路,串级,PID,当前角度误差,=,期望角度,实际角度,;,PID_P,项,=Kp *,当前角度误差,;,PID_I,项,+=Ki *,当前角度误差,;,PID_I,项 进行积分限幅,;,/,当前角度的微分（原理上为当前角度误差,上一次角度,/,误差，换一个角度来讲角度的微分就是角速度，所以一,/,般用陀螺仪的角速度数据来替代角度的微分）,PID_D,项,=Kd *,当前角速度的微分（陀螺仪数据）,;,单环,PID,总输出,=PID_P,项,+PID_I,项,+PID_D,项,;,单环,PID,总输出限幅,;,是指设定值和当前值的误差，,为控制周期，,为比例系数，,为积分系数，,为微分系数，,为电机调速的基础量。,编程思路,单级,PID,串级,PID,输出给电机,期望角度,比例,+,姿态解析,角速度采样,积分,微分,比例,积分,微分,+,+,+,+,+,-,内环：角速度环,外环：角度环,-,特点,增加了控制变量，增加抗干扰性,内环粗调，外环细调,内环起到超前调节的总用，增加鲁棒性,提高了系统工作频率，减小震荡周期，调节时间缩短，系统的快速性增强,串级,PID,当前角度误差,=,期望角度,实际角度,;,外环,PID,_,P,项,=,Kp,*,当前角度误差,;,外环,PID,_,I,项,+=,Ki,*,当前角度误差,;,外环,PID,_,I,项 进行积分限幅,;,外环,PID,_,D,项,=,Kd,*,（本次角度误差,上次角度误差）,/,控制周期,;,外环,PID,总输出,=,外环,PID,_,P,项,+,外环,PID,_,I,项,+,外环,PID,_,D,项,;,外环,PID,总输出限幅,;,当前角速度误差,=,外环,PID,总输出,当前角速度,;,（期望角速度为,0,）,;,内环,PID,_,P,项,=,Kp,*,当前角速度误差,;,内环,PID,_,I,项,+=,Ki,*,当前角速度误差,;,内环,PID,_,I,项 进行积分限幅,;,内环,PID,_,D,项,=,Kd,*,（本次角速度误差,上次角速度误差）,/,控制周期,;,内环,PID,总输出,=,内环,PID,_,P,项,+,内环,PID,_,I,项,+,内环,PID,_,D,项,;,内环,PID,总输出限幅,;,编程思路,打,舵实验与,PID,调参,角速度环打舵：,观察静态稳定性,观察响应率,角度环打舵,观察静态水平稳定性,观察正负十度内的跟踪情况,根据以上情况进行相应的,PID,调,参,位置控制中的,PID,单神经元串级,PID,传统,PID,跟踪,正弦仿真,神经元,PID,跟踪,正弦仿真,有超调,跟踪延时大,几乎无超调,缩短跟踪延时,02,操作系统,使用操作系统的原因,可移植性高,大多,代码无需考虑,CPU,注重飞控算法本身,弱化时间序列的设计,给新增任务便利性,任意剪裁不需要的任务,工程管理,性高,给团队合作与业务部署带来便利,版本管理清晰,飞控任务部署,RTOS,定时器,3,中断,IMU,解算,姿态内环控制,4,5,视觉数据接收,10,PC,数据接收,11,位置内环控制,6,250Hz,位置融合,7,200Hz,姿态融合,8,200Hz,位置外环,9,125Hz,数据上传,PC,12,40HZ,超声采集,13,20HZ,电压检测,14,10HZ,通信切换,15,5HZ,一键起飞,16,2.5HZ,定时器,4,中断,串口,1,、,3,中断,串口,6,中断,XXX,N,XXX,任务,优先级,触发方式,任务创建,示例,两种任务触发方式,延时触发,每次任务执行完毕，系统延时,25ms,，再次执行,来源于,Task.c,摘录,两种任务触发,方式,中断触发,等待中断,信号量,到达，,执行以下任务,时间到达，产生相应的,信号量,来源于,Time3_Ahrs_Inner.c,摘录,来源于,Task.c,摘录,内环调参,P,太,小,：,不能,修正角速度误差表现为很“软”倾斜后难以修正，打舵响应也差,。,P太大：,在,平衡位置容易震荡，打舵回中或给干扰（用手突加干扰）时会震荡,。,合适的,P：,能,较好的对打舵进行响应，又不太会震荡，但是舵量回中后会回弹好几下才能停止（没有D）,。,D,的效果：,加快,打舵响应，最大的作用是能很好地抑制舵量回中后的震荡，可谓立竿见影,。,D,太大：,会,在横滚俯仰混控时表现出来（尽管在“烤四轴”时的表现可能很好），具体表现是四轴抓在手里推油门会抽搐。如果这样，只能回到“烤四轴”降低D，同时P也只能跟着降低。D调整完后可以再次加大P值，以能够跟随打舵为判断标准,。,加入,I,：,由于重心偏高，质量不均造成偏离，,I,可以一定程度上修正偏离。,