多旋翼无人机

          第五节 混合控制器

 

 

一、混合控制原理

        经过位置控制和姿态控制之后，控制量将通过actuator_controls这个uORB发布到内部通信总线上，这个uORB中的control数组变量中存放了滚转、俯仰、航向以及油门的控制量，其索引号的定义如下：

uint8 INDEX_ROLL = 0                #滚转索引
uint8 INDEX_PITCH = 1               #俯仰索引
uint8 INDEX_YAW = 2                 #航向索引
uint8 INDEX_THROTTLE = 3            #油门
float32[4] control                  #控制量数组

        对于不同的多旋翼机型，它们的控制量都是相同的，但是混合控制方案却不同。接下来我们分别介绍不同机型的多旋翼的混合控制原理。首先设滚转、俯仰、航向、油门这4个控制量分别为：

float roll  = control[INDEX_ROLL];
float pitch = control[INDEX_PITCH];
float yaw   = control[INDEX_YAW];
float thro  = control[INDEX_THROTTLE];

1）十字型四旋翼：由于十字型四旋翼的4个螺旋桨与滚转、俯仰轴重合因此，我们可以将向量（0,1）和（0,-1）投影到轴臂上作为滚转控制系数，如下图所示：

        于是，我们可以得到的混控矩阵为：

2）叉型四旋翼：与十字型四旋翼类似的，我们只需要计算4个控制量投影到轴臂上的分量得到混控矩阵即可。如下图所示：

        于是，叉型四旋翼的混控矩阵为：

3）十字六旋翼：同理：

4）叉型六旋翼：同理：

        对于其它机型原理与四旋翼与旋翼类似的，我们不再赘述。

 

二、混控配置文件

        在PX4程序当中通过订阅actuator_controls这个uORB得到控制系统所输出的控制量，然后经过混合控制器（简称混控，Mixer）得到实际输出的PWM信号。在PX4程序中根据不同的机型定义了不同的混控文件，存放在Firmware/ROMFS/px4fmu_common/mixers目录当中，多旋翼机型常用的混控配置文件有：

quad_+.main.mix          # 十字型四旋翼
quad_x.main.mix          #   叉型四旋翼
hexa_+.main.mix          # 十字型六旋翼
hexa_x.main.mix          #   叉型六旋翼
octo_+.main.mix          # 十字型八旋翼
octo_x.main.mix          #   叉型八旋翼

        混控配置文件中其中包括：空混控器、简单混控器和机型布局混控器。配置文件中的混控器有着特定的格式，如下：

<tag>: <args>

        其中tag表示混控器类型，args表示混控器参数。

1）空混控器：可以接收任何的输入，但是其输出始终为0。控混控器在配置文件中可以起到占位的作用：

Z:

2）简单混控器：将0个或多个输入通道的控制量进行混合，再经过缩放和限幅得到1个通道的输出结果：

M: <control count>

S: <group> <index> <-ve scale> <+ve scale> <offset> <lower limit> <upper limit>

        其中，control count表示混控器输入通道数；group表示控制量来源于actuator_controls这个uORB中的组号；index表示控制量来源于控制量数组control的索引号；scale表示将控制量放大的系数；offset为偏离量；limit表示对混控的输出结果进行限幅。

3）机型布局混控器：其中包括多旋翼、直升机、固定翼、垂起固定翼、倾转旋翼等多种机型。我们主要讨论多旋翼常用机型的混控器：

R: <geometry> <roll scale> <pitch scale> <yaw scale> <deadband>

        其中，geometry表示多旋翼机型布局，不同的布局需要使用不同的混控矩阵；roll scale、pitch scale、yaw scale分别表示多滚转通道、俯仰通道和航向通道的放大系数；deadband表示当某一个通道的执行器饱和时为了保证此数值不超出有效范围，其他的执行器将会北重新缩放到一个安全范围内，整体比例关系不变。