多旋翼飞行器 PID 调整指南

本教程将介绍如何调整 PX4 上的 PID 循环，使其适用于以下所有情况 多旋翼飞行器设置 (四边形、六边形、八边形等）。

一般来说，如果您使用的是 支持的特定配置 (例如，在以下情况下使用机身 QGroundControl > 机身默认的调整应该足以让飞行器安全飞行。要获得最佳性能，通常最好对新飞行器进行调整。例如，不同的电调或发动机需要不同的调整增益才能获得最佳飞行效果。

本指南适用于高级用户。未经调试或部分调试的载具很可能不稳定，容易撞车。请务必指定一个关闭开关。

导言

PX4 的用途 P比例、 Integral、 DPID）控制器（这是最普遍的控制技术）。

控制器是分层的，这意味着较高层次的控制器将其结果传递给较低层次的控制器。最低级的控制器是 速率控制器然后是 态度控制员然后 速度放大器；位置控制器.PID 调整需要按照相同的顺序进行，从速率控制器开始，因为这将影响所有其他控制器。

先决条件

• 您选择了最匹配的 默认机身配置 您的载具。这样，您就可以拥有一辆会飞的汽车了。
• 你应该 电调校准.

• PWM_MIN 设置正确。它需要设置得低一些，但要使 电机永不停歇 当载具处于上膛状态时。

  这可以在 Acro 模式 或在 手动/稳定模式:

  • 拆除螺旋桨
  • 启动载具并将油门降至最低
  • 将载具向各个方向倾斜约 60 度
  • 检查电机是否关闭
• 可选择使用 SDLOG_PROFILE 参数，这样就可以使用日志来评估速率和姿态跟踪性能（之后可以禁用该选项）。

始终禁用 MC_AIRMODE 在调试载具时。

调整参数步骤

出于安全考虑，默认增益设置为较低值。必须先提高增益，才能获得良好的控制响应。

下面是一些调试时需要遵循的一般要点：

• 所有增益的增加都应该非常缓慢，因为过大的增益可能会导致危险的振荡！通常每次迭代增益增加 20-30%，最后微调时减至 5-10%。
• 在更改参数前降落。缓慢加大油门，检查是否有摆动。
• 围绕悬停推力点调整飞行器，并使用 推力曲线参数 以考虑推力非线性或高推力振荡。

费率控制器

速率控制器是最内环，由三个独立的 PID 控制器控制车身速率（偏航、俯仰、滚动）。

调整良好的速率控制器非常重要，因为它会影响 一应俱全 飞行模式。调整参数不良的速率控制器在以下情况下会显现出来 位置模式例如，"抽搐"（载具在空中不会完全静止）。

速率控制器结构/形式

PX4 支持在单个混合实施中使用两种（数学上等效的）PID 速率控制器： 平行 和 标准.

用户可以通过将另一种形式的比例增益设置为 1 来选择所使用的形式（如下图所示）。 K 为 1 表示平行形式，或 P 如果是标准格式，则将 K 或 P 块替换为一行）。

• G(s) 表示载具的角速率动力学特性
• r 是速率设定点
• y 是机身角速率（由陀螺仪测量）
• e 是速率设定值与测量速率之间的误差
• u 是 PID 控制器的输出

下面介绍这两种形式。

导数项 (D)位于反馈路径上，以避免一种称为 衍生踢.

欲了解更多信息，请参阅

• 并非所有 PID 控制器都一样 (www.controleng.com)
• PID 控制器> 标准与并联（理想）PID 形式比较_PID_form）（维基百科）

平行形式

平行形式 是最简单的形式，因此也是教科书中常用的形式。在这种情况下，控制器的输出只是比例、积分和导数动作的总和。

标准形式

这种形式在数学上等同于并联形式，但其主要优势在于（即使看起来有悖直觉）它将比例增益调整与积分和导数增益分离开来。这就意味着，只需利用大小/惯性相似的无人机的增益，并简单调整 K 增益，就能轻松调整新平台，使其飞行正常。

速率 PID 调节

用于调整 PID 速率控制器的相关参数为

• 滚动率控制 (MC_ROLLRATE_P, MC_ROLLRATE_I, MC_ROLLRATE_D, MC_ROLLRATE_K)
• 螺距速率控制 (MC_PITCHRATE_P, MC_PITCHRATE_I, MC_PITCHRATE_D, MC_PITCHRATE_K)
• 偏航率控制 (MC_YAWRATE_P, MC_YAWRATE_I, MC_YAWRATE_D, MC_YAWRATE_K)

速率控制器可在以下情况下调整 Acro 模式 或 手动/稳定模式:

• Acro 模式 是首选，但较难飞行。如果选择这种模式，请禁用所有操纵杆展开功能：
  • MC_ACRO_EXPO = 0, MC_ACRO_EXPO_Y = 0, 亚洲超级博览会 = 0, 麦克超商 = 0
  • MC_ACRO_P_MAX = 200, MC_ACRO_R_MAX = 200
  • MC_ACRO_Y_MAX = 100
• 手动/稳定模式 飞行更简单，但也更难发现姿态或速率控制器是否需要进一步调整。

如果载具根本不会飞：

• 如果在第一次尝试起飞时出现强烈摆动（以至于无法飞行），则减少所有 P 和 D 直到起飞。
• 如果对 RC 运动的反应微乎其微，则增加 P 收益。

在以下情况下，实际调整大致相同 手动模式 或 Acro 模式:您可以反复调整 P 和 D 滚动和俯仰增益，然后 I 增益。起初，您可以对横滚和俯仰使用相同的值，一旦有了好的值，您就可以通过分别查看横滚和俯仰响应对其进行微调（如果载具是对称的，则不需要这样做）。对于偏航，情况非常相似，只是 D 可以保持为 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 既指 P 或 K).它的作用是快速响应，因此应尽可能设置得高一些，但不要产生振荡。

• 如果 P 增益过高：会出现高频振荡。
• 如果 P 增益过低：
  • 载具会对输入变化反应缓慢。
  • 在 Acro 模式 载具就会漂移，您需要不断纠正以保持水平。

衍生收益 (D)

D (导数）增益用于速率阻尼。它是必需的，但应根据需要设置，以避免过冲。

• 如果 D 增益过高：电机会变得抽搐（可能还会发热），这是因为 D 术语会放大噪音。
• 如果 D 增益过低：阶跃输入后会出现过冲。

典型值为

• 标准格式P = 1）：介于 0.01（4"赛手）和 0.04（500 尺寸）之间，对于任何值的 K
• 平行形式（K = 1）：介于 0.0004 和 0.005 之间，具体数值取决于 P

积分增益 (I)

I (积分）增益对误差进行记忆。增益 I 如果在一段时间内未达到所需的速率，期限就会增加。重要的是（特别是在飞行时 Acro 模式)，但不宜设置过高。

• 如果 I 增益过高：您将看到缓慢的振荡。
• 如果 I 增益过低：最好在以下情况下进行测试 Acro 模式将载具向一侧倾斜约 45 度，并保持这个角度。应该保持相同的角度。如果它向后偏移，请增加 I 增益。低 I 当预期速率与实际速率在较长时间内出现偏移时，日志中也会显示增益。

典型值为

• 标准格式P = 1）：介于 0.5（VTOL 飞机）、1（500 型）和 8（4"竞赛）之间，对于任何数值的 K
• 平行形式（K = 1）：在 0.3 和 0.5 之间，如果 P 俯仰增益通常需要比滚动增益高一些。

测试程序

要测试电流增益，请提供快速 步进输入 悬停时，观察飞行器的反应。它应立即执行命令，既不会摆动，也不会过冲（感觉被锁定'）。

例如，您可以通过快速将滚动杆推向一侧，然后让它快速回转来创建一个阶跃输入（请注意，如果您只是松开滚动杆，它也会摆动，因为它是由弹簧加载的—；经过良好调试的载具会跟随这些摆动）。

经过精心调试的载具在 Acro 模式 不会随意向一侧倾斜，而是在没有任何校正的情况下保持姿态数十秒。

日志

查看日志也有助于评估跟踪性能。下面是一个良好的滚动和偏航率跟踪示例：

这里有一个很好的例子，说明在几次翻转后的滚动率跟踪情况，翻转产生了极大的步进输入。可以看到，载具的过冲量非常小：

姿态控制仪

它通过以下调整参数控制方向并输出所需的机身速率：

• 滚动控制 (MC_ROLL_P)
• 螺距控制 (MC_PITCH_P
• 偏航控制 (MC_YAW_P)

姿态控制器更容易调整。事实上，大多数情况下根本不需要更改默认值。

要调整姿态控制仪，请在 手动/稳定模式 并增加 P 逐渐增益。如果开始出现振荡或超调，说明增益过高。

还可以调整以下参数。这些参数决定了围绕所有三个轴的最大旋转速率：

• 最大滚动率 (最大滚动率)
• 最大变桨速率 (mc_pitchrate_max
• 最大偏航率 (MC_YAWRATE_MAX)

推力曲线

上述调整优化了悬停油门附近的性能。但是，在接近全油门时，您可能会开始看到振荡。

为了抵消这种情况，调整 推力曲线 与 THR_MDL_FAC 参数。

如果更改该参数，可能需要重新调整速率控制器。

默认情况下，电机控制信号（如 PWM）与预期推力之间的映射是线性的—。 THR_MDL_FAC 为 1 则为二次方。介于二者之间的值则采用线性插值。典型值介于 0.3 和 0.5 之间。

如果您有 推力架 （或能 衡量 推力），可以确定 PWM 控制信号与电机实际推力之间的关系，并对数据进行函数拟合。 本笔记本 说明推力模型系数 THR_MDL_FAC 可根据之前测得的推力数据计算得出。

PWM 和静态推力之间的映射在很大程度上取决于电池电压。

如果没有推力架，也可以根据经验调整建模系数。从 0.3 开始，每次增加 0.1。如果过高，您将开始注意到在较低油门值下的振荡。如果过低，则会在油门值较高时出现振荡。

气模 & 混频器饱和度

速率控制器输出所有三个轴（滚动、俯仰和偏航）的扭矩指令和一个标量推力值，需要将其转换为单个电机的推力指令。这一步骤称为混合。

例如，在低推力和大滚转指令的情况下，可能会出现其中一个电机指令变为负值的情况（同样，也可能超过 100%）。这就是混合器饱和。实际上，飞行器不可能执行这些指令（可逆电机除外）。PX4 有两种模式可以解决这个问题：

• 要么降低滚转的指令扭矩，使电机指令都不低于零（禁用气动模式）。在指令推力为零的极端情况下，这意味着不再可能进行姿态修正，这也是该模式始终需要最小推力的原因。

• 或者通过增加（提升）指令推力，使电机指令都不是负的（启用 Airmode）。这样做的最大好处是，即使在低油门或零油门时也能正确跟踪姿态/速率。一般来说，它能改善飞行性能。

  然而，它增加了总推力，可能导致即使油门减小到零，飞行器仍继续上升的情况。对于调校良好、功能正常的载具来说，这种情况并不存在，但例如，由于 P 调校增益过高而导致载具强烈摆动时，就会出现这种情况。

下图显示了这两种模式，并附有两个电机的二维图示和滚动扭矩指令 r.左侧电机 r 的推力与指令推力相加，而右侧电机的推力则与指令推力相减。电机推力以 绿化.启用气动模式后，指令推力将增加 b.禁用时 r 减少。

如果混合饱和度接近上限，则会降低指令推力，以确保不会指令任何电机提供超过 100% 的推力。这种行为与 Airmode 逻辑类似，无论启用或禁用 Airmode 都会应用。

载具飞行正常后，您可以通过 MC_AIRMODE 参数。