【飞控】倾转分离 (三)-大总结

1.起源

姿态中,roll 和 pitch 的改变来自于靠桨直接的力矩调整,调整很快,十几个毫秒就能到位。

而yaw的改变是靠桨速度差产生的旋转力矩来调整的调整比较慢,要快一百个毫秒才能到位。

2.问题

通常旋翼飞机的80%的能量用于油门控制抵抗重力,20%的能量用于控制姿态。

当 roll pitch yaw 都有较大误差时,20%的能量由三个控制器共同使用,但是由于 yaw 响应较慢,会导致 yaw 的误差一直都比较大,占用大部分姿态控制的能量,反而影响了整个姿态控制。

3.思路

因为旋翼稳定飞行的第一要素是保证桨平面( roll pitch )的精确控制,即保证桨平面没有误差 ,

yaw是不是没有误差并不重要。

那么我们计算出真实姿态误差时,把误差分成两个部分

tilt(pitch和roll)和 torsion(yaw),

但是呢,不直接把 torsion 给控制器

做一点限制,比如,「限幅」或者「衰减」

然后重新合成一个处理后的误差。

这样控制器就好认为,yaw 的误差并不大 ,大部分能量可以留给 tilt(pitch和roll)。

4.算法步骤

1.通过对齐 当前机体坐标系 z 轴 和 期望机体坐标系 z 轴 得到 tilt 误差

2.把 tilt 误差 转到 地理系 或者 转到 机体系

3.总误差 - tilt 误差 = torsion 误差

4.限制 torsion 误差 可以使用「限幅」方法 或者「衰减」方法

5.把限制后的 torsion 和 tilt 组合成新的总误差

5.APM 和 PX4思路对比

总体思路一样

区别1. APM 把 tilt 误差 转到 机体系,PX4 把 tilt 误差 转到 地理系 ,

区别2. APM 使用「限幅」方式限制 torsion ,PX4 使用「衰减」方式限制 torsion ,

区别3. PX4 合成新旋转直接使用四元数乘法,非常合理,

APM 合成新旋转 将 tilt 的 z 轴分量抛弃,替换成 torsion 的 z 轴 ,无法理解。

6.效果对比

设当前姿态为【10,10,10】绿色,期望姿态为【45,45,45】红色,「倾转分离」后的新旋转为蓝色。

PX4 效果 ,z 在完全对齐 ,tilt 没有误差 ,torsion 被限制,x , y 轴保留一定误差,体现出「倾转分离」因该有的效果。

PX4

APM 效果 ,因为抛弃了 tilt 误差的 z轴分量 ,导致 z 轴无法对齐,因为使用限幅,允许最大角度26度,也能有一定程度的 torsion 限制效果。但是 z 轴没有对齐 ,不符合「倾转分离」因该有的效果。

APM

虽然我非常喜欢 APM ,但是抱歉,这次我选 PX4。

ok,看到这里相信你已经非常了解,倾转分离的理论,和具体实现的方法了,

其实刚开始看的时候,很多资料论坛,吹的神乎其神,轴角分离多么厉害,而且只可意会不可言传,反正就是牛,但不告诉你,我就自己查资料看算法,才有了这些写笔记可以写成文章跟大家分享。

我想说的是,工程的世界里没有那么多玄学,其实都在书里,我是 zing 一个有趣的飞控算法工程师,我们下期见。