多旋翼飞行器姿态控制串级PID

多旋翼控制基础是将用户输入的遥控信号（期望角度值 ）通过计算调整电机输出最后达到期望姿态值

单环PID.png

在单环PID控制算法中，用户期望值输入是角度信息，通过PID控制器后输出电机控制信号，再次经过MEMS器件反馈角度到PID控制器，根据偏差值 来调整输出。

普通控制情况下，单环PID完全够用了，但有以下几个问题
1.飞行器稳定性不好没有阻尼感
2.MEMS器件对角度的敏感度不如对角速度敏感度来得高
鉴于以上情况在控制逻辑上对算法进行修改，修改为串级PID

串级PID.png

使用串级PID可以有效利用MEMS器件对角速度敏感的特点，增加飞行中的阻尼感和飞行的稳定性，串级PID的输入依然为用户的期望角度，将用户期望角度值经过角度PID环后，得到期望角速度，再将期望角速度输入给内环角速度控制环，最后得到电机输出量，输出到电机。

串级PID整定

• 内环P：从小到大，拉动飞行器会感觉到越来越困难，越来越感觉到四轴在抵抗你的拉动；达到一个比较大的数值时，四轴会自己高频震动，如果此时输入大杆量时，四轴会高速震荡几下，过几秒后稳定，继续增大，不用人为干扰，自行发散翻机。
• 内环P：从小到大，拉动四轴越来越困难，越来越感觉到四轴在抵抗你的拉动；到比较大的数值时，四轴自己会高频震动，肉眼可见，此时拉扯它，它会快速的振荡几下，过几秒钟后稳定；继续增大，不用加人为干扰，自己发散翻机。特别注意：只有内环P的时候，四轴会缓慢的往一个方向下掉，这属于正常现象。这就是系统角速度静差。
• 内环I：前述PID原理可以看出，积分只是用来消除静差，因此积分项系数个人觉得没必要弄的很大，因为这样做会降低系统稳定性。从小到大，四轴会定在一个位置不动，不再往下掉；继续增加I的值，四轴会不稳定，拉扯一下会自己发散。特别注意：增加I的值，四轴的定角度能力很强，拉动他比较困难，似乎像是在钉钉子一样，但是一旦有强干扰，它就会发散。这是由于积分项太大，拉动一下积分速度快，给 的补偿非常大，因此很难拉动，给人一种很稳定的错觉。
• 内环D：这里的微分项D为标准的PID原理下的微分项，即本次误差-上次误差。在角速度环中的微分就是角加速度，原本四轴的震动就比较强烈，引起陀螺的值变化较大，此时做微分就更容易引入噪声。因此一般在这里可以适当做一些滑动滤波或者IIR滤波。从小到大，飞机的性能没有多大改变，只是回中的时候更加平稳；继续增加D的值，可以肉眼看到四轴在平衡位置高频震动(或者听到电机发出滋滋的声音)。前述已经说明D项属于辅助性项，因此如果机架的震动较大，D项可以忽略不加。
• 外环P：当内环PID全部整定完成后，飞机已经可以稳定在某一位置而不动了。此时内环P，从小到大，可以明显看到飞机从倾斜位置慢慢回中，用手拉扯它然后放手，它会慢速回中，达到平衡位置；继续增大P的值，用遥控器给不同的角度给定，可以看到飞机跟踪的速度和响应越来越快；继续增加P的值，飞机变得十分敏感，机动性能越来越强，有发散的趋势。