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时间:2020-09-01
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1、在APM飞控系统中,采用的是两级PID控制方式,第一级是导航级,第二级是控制级,导航级的计算集中在medium_loop()和fastloop()的update_current_flight_mode()函数中,控制级集中在fastloop()的stabilize()函数中。导航级PID控制就是要解决飞机如何以预定空速飞行在预定高度的问题,以及如何转弯飞往目标问题,通过算法给出飞机需要的俯仰角、油门和横滚角,然后交给控制级进行控制解算。控制级的任务就是依据需要的俯仰角、油门、横滚角,结合飞机当前的姿态解算出合适的舵机控制量,使飞机保持预定的俯仰
2、角,横滚角和方向角。最后通过舵机控制级set_servos_4()将控制量转换成具体的pwm信号量输出给舵机。值得一提的是,油门的控制量是在导航级确定的。控制级中不对油门控制量进行解算,而直接交给舵机控制级。而对于方向舵的控制,导航级并不给出方向舵量的解算,而是由控制级直接解算方向舵控制量,然后再交给舵机控制级。以下,我剔除了APM飞控系统的细枝末节,仅仅将飞控系统的重要语句展现,只浅显易懂地说明APM飞控系统的核心工作原理。一,如何让飞机保持预定高度和空速飞行要想让飞机在预定高度飞行,飞控必须控制好飞机的升降舵和油门,因此,首先介绍固定翼升降
3、舵和油门的控制,固定翼的升降舵和油门控制方式主要有两种:一种是高度控制油门,空速控制升降舵方式。实际飞行存在四种情况,第一种情况是飞机飞行过程中,如果高度低于目标高度,飞控就会控制油门加大,从而导致空速加大,然后才导致拉升降舵,飞机爬升;第二种情况与第一种情况相反;第三种情况是飞机在目标高度,但是空速高于目标空速,这种情况飞控会直接拉升降舵,使飞机爬升,降低空速,但是,高度增加了,飞控又会减小油门,导致空速降低,空速低于目标空速后,飞控推升降舵,导致飞机降低高度。这种控制方式的好处是,飞机始终以空速为第一因素来进行控制,因此保证了飞行的安全,特
4、别是当发动机熄火等异常情况发生时,使飞机能继续保持安全,直到高度降低到地面。这种方式的缺点在于对高度的控制是间接控制,因此高度控制可能会有一定的滞后或者波动。 另一种是高度控制升降舵,空速控制油门的方式。这种控制方式的原理是设定好飞机平飞时的迎角,当飞行高度高于或低于目标高度时,在平飞迎角的基础上根据高度与目标高度的差设定一个经过PID控制器输出的限制幅度的爬升角,由飞机当前的俯仰角和爬升角的偏差来控制升降舵面,使飞机迅速达到这个爬升角,而尽快完成高度偏差的消除。但飞机的高度升高或降低后,必然造成空速的变化,因此采用油门来控制飞机的
5、空速,即当空速低于目标空速后,在当前油门的基础上增加油门,当前空速高于目标空速后,在当前油门的基础上减小油门。这种控制方式的好处是能对高度的变化进行第一时间的反应,因此高度控制较好,缺点是当油门失效时,比如发动机熄火发生时,由于高度降低飞控将使飞机保持经过限幅的最大仰角,最终由于动力的缺乏导致失速。但是以上仅仅是控制理论。在实际控制系统中,由于有些参量并不能较准确地测得,或者测量时数据不稳定,所以并不能完全按照上述的控制理论控制。例如空速的测量时相当不准确的,而且数据波动较严重,这样,就无法完全按照上述理论进行控制,必须在其基础上进行适当修改。
6、以下以使用空速计情况和不使用空速计情况对APM飞控系统进行阐述。(1),使用空速计情况在使用空速计的情况下,升降舵是由空速控制。update_current_flight_mode()调用calc_nav_pitch()调用nav_pitch=-g.pidNavPitchAirspeed.get_pid(airspeed_error,dTnav)。nav_pitch就是导航俯仰角,也就是说,使用空速计时,APM系统对利用空速偏差airspeed_error作为输入量进行导航级的俯仰角控制。 在使用空速计的情况下,油门是由飞机机械能偏差控制
7、,也就是空速误差和高度误差共同决定。update_current_flight_mode()调用calc_throttle()调用g.channel_throttle.servo_out=g.throttle_cruise+g.pidTeThrottle.get_pid(energy_error,dTnav);g.channel_throttle.servo_out+=(g.channel_pitch.servo_out*g.kff_pitch_to_throttle);式中energy_error=airspeed_energy_error+
8、(float)altitude_error*0.098f,是空速动能偏差,加上飞机重力势能偏差。可以看出,油门是由设定的巡航油门g.throttle_
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