RflySim | 定点位置控制器设计实验一

一. 定点位置控制器设计实验

一般而言位置控制可分为三类：定点控制、轨迹跟踪和路径跟随。其中，轨迹跟踪控制和路径跟随控制都可以转化为定点控制，所以本章涉及的位置控制是定点控制问题。位置控制器的输出为期望的姿态，所以位置控制器的设计是以姿态控制器为基础的，整个位置控制的实验流程与姿态控制基本一致。

本章将详细介绍多旋翼飞行器的位置控制器的设计原理和设计方法，并通过层次分明的三个分步实验，让读者更好地掌握这部分的知识。在基础实验中，读者会复现多旋翼位置控制仿真，体会位置控制效果；分析实验则要求读者调节位置控制的PD控制器参数，让多旋翼在时域中达到较好的控制性能；设计实验要求读者根据自动控制原理中的知识设计校正器，让多旋翼在频域中达到较好的控制性能。

二. 实验原理

多旋翼的底层飞行控制分为四个层次，分别为位置控制、姿态控制、控制分配和电机控制。

闭环控制框架如下图所示。多旋翼是一个欠驱动系统，有6个输出（位置和姿态），但是只有4个独立输入（总拉力和三轴力矩）。因此，多旋翼只能跟踪4个期望指令（期望位置与偏航)，剩余的变量(滚转、俯仰)由期望位置和偏航确定。

从直观上看，轨迹跟踪与路径跟随的区别在于，描述轨迹或路径的曲线是否与时间相关。轨迹跟踪的期望轨迹是一条与时间相关的曲线，而路径跟随的期望路径独立于时间变量。路径跟随也称为3D跟踪。轨迹跟踪也称为4D跟踪，相比3D跟踪，增加了时间维度。当y()=t时，路径跟随问题退化成轨迹跟踪问题。当pd(t)恒为常数时，轨迹跟踪问题进一步退化成定点控制问题。换句话说，路径跟随增加时间约束后退化为轨迹跟踪，轨迹跟踪增加期望轨迹约束后退化为定点控制。因此，定点控制问题是轨迹跟踪问题的特例，而轨迹跟踪问题是路径跟随问题的特例。本章主要聚焦定点控制问题和轨迹跟踪问题。

位置控制器的输出是期望的姿态。对水平位置通道和高度通道分别设计PID控制器，最终产生期望的欧拉角、a和拉力f。下面将先设计传统PD控制器，再讨论开源自驾仪使用的PD控制器，最后考虑加饱和的PD控制器。

三. 基于加性分解的动态逆控制器

1.实际过程中G是未知的，可以辨识得到近似的?

2.G与?之间往往有差距，如何设计进行弥补？

对于传递函数的加性输出分解：

以高度通道为例进行设计，

另外两个通道：

参考文献：
[1] 全权,杜光勋,赵峙尧,戴训华,任锦瑞,邓恒译.多旋翼飞行器设计与控制[M],电子工业出版社,2018.
[2] 全权,戴训华,王帅.多旋翼飞行器设计与控制实践[M],电子工业出版社,2020.