北京大翔航空科技有限公司

2024-01-11

导读：本文将简单介绍这款软件的演变过程，有点点长，希望大家能耐心看完，您一定会了解到我们的设计这款软件的初衷，并乐于给我们提出改进的宝贵意见~~

在SIGMA free内置的飞行控制软件PX4 autopilot中，飞行器的外环位置控制分为横向和纵向，分别使用L1和TECS控制。使用SIGMA free进行固定翼的L1和TECS参数调整能够更加直观地从飞行航迹图和渲染画面中观察到不同参数对固定翼飞行器位置控制的影响，这不仅便于新手学习上手，对有经验的用户来说也有极大的帮助。

本文面向对飞行控制器调教完全陌生的新手，将简单介绍固定翼无人机外环位置控制算法的原理、调参原则与方法，帮助大家在该方面快速入门。

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固定翼L1横向位置控制器

SIGMA free中使用的飞行控制器是开源的PX4 autopilot。针对固定翼机型，其外环位置控制可按运动解耦分为横向位置控制（L1制导律）和纵向位置控制（TECS总能量控制）。

（1）L1制导律基本原理

L1制导律的本质是在期望路径（desired path）上选取一个参考点（reference point），根据参考点、飞行器当前的位置和速度计算出法向的期望加速度，由此完成横向位置控制，使飞行器贴合期望的飞行路径。

（2）L1关键参数介绍

如上图，在各个角度都很小的情况下，飞行器实际位置与期望航迹的横向误差d是一个典型的二阶系统。该二阶系统的阻尼比是固定的0.707，无阻尼自然振荡频率取决于飞行器的速度与L1的比值。在PX4软件中，L1与飞行器速度V是成线性关系的，这样可以保证系统的自然频率是固定的。

在QGC地面站中，二阶系统的阻尼比对应于参数FW_L1_DAMPING，二阶系统的无阻尼自然振荡频率对应于参数FW_L1_PERIOD。

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L1关键参数如何调整

虽然系统的阻尼比是固定的0.707，但是考虑到实际飞行时，系统中加速度期望值存在响应时间，速度测量也存在时延，因此，阻尼比参数FW_L1_DAMPING可以在0.7左右调试，但不应该差得太多，一般在0.65-0.8之间。FW_L1_DAMPING控制着飞行器横向位置控制响应速度与转弯半径，原则上是越小越好，但受机体结构与姿态控制器的限制，此参数过小会导致飞行姿态不稳而炸机。

在实际调参过程中，主要调试FW_L1_PERIOD，当无人机转弯不够快时把此参数调小，直到飞机出现些许震荡后调大此参数2-3左右即可。至于FW_L1_DAMPING一般在0.65-0.85之间，每次调整0.05找到最好的飞行状态即可。

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L1调参效果演示

在PX4飞控中，L1对应的参数主要有两个：FW_L1_PERIOD和FW_L1_DAMPING，它们代表着L1控制的周期和阻尼比，分布简写为L1_P和L1_D。

通过QGC地面站中，可以在上图所示的界面中对L1横向位置控制器的参数进行调整。

结合SIGMA Free仿真环境，保持FW_L1_DAMPING=0.75，分别设置FW_L1_PERIOD=15、25、35，令同一飞行器沿同一预设航迹飞行，实际飞行轨迹如下图所示：

可以看出，FW_L1_PERIOD控制着飞机转弯半径，参数值越大则转弯半径越大、转弯轨迹越长。要使得飞机尽可能地贴合预设轨迹，应该在机身硬件条件允许的情况下尽可能地调小FW_L1_PERIOD参数。

接着再调整参数FW_L1_DAMPING，保持FW_L1_PERIOD=25，分别设置FW_L1_DAMPING=0.6、0.75、0.9，令同一飞行器沿同一预设航迹飞行，实际飞行轨迹如下图所示：

可以看出，FW_L1_DAMPING=0.6时，阻尼过小，飞机能快速到达预设航线但是存在较大的超调；FW_L1_DAMPING=0.9时，阻尼过大，飞机接近预设航迹的过程比较缓慢但是没有出现超调。在实际使用中，应将FW_L1_DAMPING值设置在0.75附近。

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TECS纵向位置控制基本原理

PX4 autopilot采用TECS算法进行纵向的位置控制。总能量法TECS（Total Energy Control System）是固定翼飞机最重要的控制算法，可协调油门和俯仰角设定值，以控制飞机的高度和空速。

由于飞行器的油门和升降舵是互相耦合的，油门增大，即使飞机姿态角不变，会导致高度发生变化，同理，改变姿态，即使油门不变，飞机的速度也会发生改变。TECS 提供了一种解决方案，即根据能量而不是初始设定值来反映问题。一架飞行器的总能量是飞行器动能和势能之和。推力（通过油门控制）可以增加飞机的总能量，俯仰角（通过升降舵控制）可以控制总能量在动能与势能间的分配比例。

因此，TECS算法能将飞行器的纵向控制问题解耦，通过油门调节飞行器的特定总能量，通过俯仰角来维持势能（高度）和动能（真空速）的特定平衡点。

如上图所示，TECS算法接受空速和高度需求量，然后输出合适的油门和俯仰角控制量。TECS内部存在总能量控制回路和比能量控制回路，分别用于控制飞行器的油门（总能量）和俯仰角（比能量）。两个控制回路在结构上具有高度相似性，都采用比例积分控制以减小稳态误差，使能量或比能量达到算法计算出的期望值；采用比例微分控制以增大系统的响应速度。

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TECS调参方法

TECS参数调整的主要工作是正确设置机身限制，参数设置过程几乎没有什么技巧、偏好与取舍，参数的实际数值由飞机硬件决定，通过飞行员实际试飞测得。

下表是TECS算法的主要参数及其描述：

参数	参数描述
FW_AIRSPD_TRIM	设置为期望的巡飞速度（自由设置）
FW_THR_CRUISE	以巡飞速度平飞时所需的油门
FW_PSP_OFF	以巡飞速度平飞时所需的俯仰角
FW_THR_MAX	最大油门（由硬件决定）
FW_THR_MIN	保持平飞所需的最小油门
FW_AIRSPD_MAX	以最大油门平飞时所能达到的最大速度
FW_P_LIM_MAX	以最大油门、巡飞速度爬升时的俯仰角
FW_T_CLMB_MAX	以最大油门、巡飞速度爬升时的爬升率
FW_P_LIM_MIN	以最小油门、最大速度下降时的俯仰角
FW_T_SINK_MAX	以最小油门、最大速度下降时的下降率
FW_T_SINK_MIN	以最小油门、巡飞速度下降时的下降率

在地面站QGC中，TECS的参数设置界面如下图

图中，除了上述由飞机自身物理特性决定的参数外，还有三个自由设置的参数：FW_T_PITCH_DAMP、FW_T_THR_DAMP、FW_T_HRATE_FF，它们分别是比能量控制和能量控制的回路中微分环节的系数以及高度控制的前馈系数。微分环节系数过大，会造成系统阻尼过小、纵向位置不稳定、姿态抖动严重；微分环节系数过小，会造成系统阻尼过大、纵向位置变化缓慢。调整时，应选择适中的参数值，使纵向位置跟随稳定且快速，一般设置为0.1左右。高度控制前馈系数过大会导致无人机在高度方向产生振荡与超调，系数过小会导致高度变化缓慢，一般设为0.3左右。