零基础入门四旋翼建模与控制(MATLAB仿真)[理论+实战]

小凡 3D视觉工坊 2023-09-17 23:01 Posted on 江苏

四旋翼最常用的控制器是串级PID，很多学生接触单片机后，都会开始做四旋翼，调节PID参数是一个重要的过程。对于完全没有经验的小白，根本不知道PID参数大致范围是多少，数量级都难以把握。而且，他们也往往难以理解PID的工作原理，为什么要使用串级PID？导致这一现象的根本原因在于对四旋翼原理的不了解。

要认识四旋翼，就必须从建模开始。然而，四旋翼的建模也有很多难点，例如如下的六自由度刚体模型，很对初学者也往往难以理解每个公式的含义。

除了六自由度刚体模型，还有动力单元模型，里面会涉及力矩计算，这部分内容理工科也往往并不涉及，导致理解困难。本课程解决的第一个问题就是建模问题，学完这门课程，能够看懂四旋翼模型，明白从电机油门与力矩与合升力的关系、力矩与合升力作用下无人机的运动。这个模型也是广泛出现在论文中，学习完课程后看论文中四旋翼建模将变得容易。

除了建模外，四旋翼中的第二个难点在于姿态表示，欧拉角、四元数、旋转矩阵。姿态表示在建模、控制、导航与规划等领域都十分重要。里面也有许多抽象的概念，如果自己学习，往往需要花费很长时间才能理解它们之间的内在关系。本课程会讲解姿态表示的相关知识，让学员快速掌握，而且能够运用。例如欧拉角的课件如下，一步步分解讲解，帮助大家理解欧拉角连续旋转的含义。

最后，本课程还讲解PID控制器，学完课程有助于学员深刻理解PID原理，明白为什么角速度环、速度环要用PID，而姿态环与位置环往往只用P？本课程的PID控制器分两种: 一种是基于欧拉角，这种方式简单直观，另一种方式是基于四元数，这也是开源飞控PX4采用的方案。两种方案都经历了长久的实践检验，这将很利于学员在实物平台中设计控制器。PX4所使用的四元数姿态控制也并不容易理解，课程专门增加图像，如下图所示，方便学员理解。