北京大翔航空科技有限公司

2023-12-27

导读：SIGMA free能将这套飞行控制仿真过程更加直观地呈现给大家，飞机的第三视角和第一视角画面能够让用户最直接地感受到参数调整带来的飞行效果变化，也更有利于新手来学习和练手固定翼无人机内环姿态控制的P

使用SIGMA free进行固定翼内环姿态控制的PID调参能够更加直观地从渲染画面中观察到飞机飞行过程中的控制效果变化，对于新手学习飞行控制器设计以及参数调整是非常友好的，而对有经验的用户熟练掌握QGC调参过程也非常有帮助。

本文面向对飞行控制器调教完全陌生的新手，将结合SIGMAfree和QGC来介绍固定翼无人机内环姿态控制器的PID调参过程。能飞、稳定是本次的主要目的~

详细的视频教程会上传到我们的b站主页，敬请关注！

01

固定翼内环姿态控制器

SIGMA free中使用的飞行控制器源自开源的飞行控制软件PX4 autopilot。在PX4官方用户指南的飞行堆栈结构和控制器图解两节中可以了解到固定翼无人机的控制可以从两个维度分解，从飞行控制的堆栈结构上分为外环位置控制和内环姿态控制，还可以从固定翼的运动解耦上分为纵向控制和横向控制。

外环位置控制方面，由L1控制器和TECS控制器分别负责飞机横向和纵向的飞行控制，以期望的高度、速度、航向等信息作为输入，输出期望的飞行姿态和油门给到内环姿态控制上各自对应的PID控制器，最终将控制信号传到各混控器和执行器，操控固定翼无人机实现期望的姿态，以达到期望的位置。

姿态控制器采用级联控制回路。在假设横、纵向运动互相解耦的情况下，滚转控制器和俯仰控制器具有相同的结构。

1.前级计算滚转角和俯仰角期望值与估计值之间的误差，并通过一个比例控制器产生对应的角速率期望值。

2.后级则计算它们角速率误差，并采用比例积分控制器产生一个所需要的角加速度。

3.然后可以根据期望的角加速度和其他已知量，通过混控器，计算出执行器所需的角偏移量。

4.由于控制面在低速时效率较低，还可以根据空速计测得的空速对角加速度进行缩放。

5.为了保持恒定的角速率, 还可以在角速率回路中使用前馈增益来补偿空气动力阻尼。

偏航控制器与其他两个姿态控制器稍有不同，使用协调转弯约束来产生偏航角速率期望值，以最小化飞机滑动时产生的横向加速度。协调转弯算法完全基于协调转弯的几何计算。

02

固定翼内环控制PID调参

与SIGMA free配套使用的地面控制站QGroundControl具有调参功能，可以通过指令-响应曲线的形式直观地反馈不同姿态控制参数的飞行控制效果，配合SIGMA free的渲染画面食用效果更加，接下来简单介绍如何通过QGC进行内环姿态控制调参。

1.打开QGC地面站并连通飞控后，进入载具设置界面，找到调参功能，勾选高级选项。

2.高级调参界面中左侧显示姿态角（deg）和姿态角速率（deg/s）的控制指令与响应随时间（ms）变化的曲线，右侧从上到下依次为：调参轴、调参值、剪切板值和图标。在调参轴可以选择三类姿态角；调参值中是QGC提供的部分重要的PID参数，用户可以在这里进行调参，效果将在QGC飞行界面和SIGMA free渲染画面中实时体现；剪切板值记录了飞控中写定的参数值，可以在此将调整后的参数重置成飞控中的初始值，也可以将调整过的参数写进飞控；图表则控制左侧的图线。

3.QGC的调参功能中给出了固定翼内环姿态控制器部分重要的PID参数。

姿态角	滚转（Roll）	俯仰（Pitch）	偏航（Yaw）
角速率的比例增益	FW_RR_P	FW_PR_P	FW_YR_P
角速率的积分增益	FW_RR_I	FW_PR_I	FW_YR_I
角速率的前馈增益	FW_RR_FF	FW_PR_FF	FW_YR_FF
姿态角的时间常数	FW_R_TC	FW_P_TC	--

4.当姿态控制参数设置不合理时，固定翼无人机在空中会出现不可控的抖动，在SIGMA free中能明显看到飞机副翼和安定面在不断调节，但是抖动无法消除，在第三视角、第一视角和右上角陀螺仪中都能看到飞机的明显抖动现象。在更极端的不合理参数下，飞机不能沿规划航迹飞行，甚至会直接坠毁。

[糟糕的姿态控制PID参数导致飞行不稳定]

[糟糕的姿态控制PID参数甚至造成炸机]

5.想要通过调节姿态控制参数实现固定翼的稳定飞行，最根本的是要学习第一部分介绍的内环姿态控制回路相关的控制知识，但是作为一项实践技能，也可以简单了解调整每个控制参数带来的效果，然后通过对不同机型调参的大量实践来掌握，PX4官方指南中介绍的固定翼内环PID调参过程总结如下，可以作为新手学习的依据。

a)调整姿态控制器的PID参数，一般从滚转通道开始，避免意外掉高坠毁，不过在仿真中倒也无妨。

b)首先调整前馈增益，将比例增益和积分增益调到最低值，从初值0.4开始逐次翻倍直到对应的姿态响应达到期望的效果，将最后的前馈增益下调20%固定下来。

c)其次调整比例增益，从初值0.06开始逐次翻倍直到左侧图线出现振荡或SIGMA free中飞机出现抖动，将最后的比例增益的50%作为结果固定下来。

d)然后调整积分增益，从初值0.01开始逐次翻倍直到左侧角速率图线中响应与指令之间的误差达到要求，将最后的积分增益固定。

e)滚转通道和俯仰通道的时间常数可以调整它们的整体控制响应，通常预设的0.5适用于大多固定翼无人机无需调整，增加时间常数可以使对应姿态角的控制响应变软，反之变硬。

6.下面给出两组固定翼无人机的内环姿态控制参数作为参考，分别对应SIGMA free中的串列翼无人机和V尾无人机，两组控制参数都能达到足够稳定的控制效果，大家可以从这些参数出发，自行调整试验不同参数的控制效果。

串列翼固定翼无人机的内环姿态控制推荐参数

姿态角参数值	滚转（Roll）	俯仰（Pitch）	偏航（Yaw）
FW_( )R_P	0.127	0.180	0.05
FW_( )R_I	0.028	0.039	0.1
FW_( )R_FF	0.2	0.51	0.3
FW_( )_TC	0.5	0.5	--

V尾固定翼无人机的内环姿态控制推荐参数

姿态角参数值	滚转（Roll）	俯仰（Pitch）	偏航（Yaw）
FW_( )R_P	0.024	0.080	0.05
FW_( )R_I	0.100	0.100	0.1
FW_( )R_FF	1	2	0.3
FW_( )_TC	0.5	0.8	--