基于PX4實現的四旋翼建模與控制

目前，四旋翼無人機在農業植保、物流配送、競技飛行及科研實驗等領域得到廣泛應用。許多公司、科研機構與無人機愛好者都會開發自己的飛控平臺，在眾多開源飛控平臺中，PX4以其完善的功能、優異的性能以及友好的生態脫穎而出。

不僅是科研機構大量使用PX4，許多公司也會基于PX4進行改進完善，實現工業級的需求。因此，能夠基于PX4進行二次開發對于學習和工作都有著重要的價值和意義。飛控平臺是一個復雜的軟硬件系統，軟件系統大致可以分為嵌入式、導航與控制三大部分，每一部分都需要專業的知識和經驗。本課程針對控制這一大模塊，分三步走，旨在讓學員能夠學懂PX4的控制器系統并具備二次開發的能力。

飛控學習三步走

第一步，飛起來

擁有配套的無人機平臺，支持PX4代碼，通過選擇合適的硬件系統，該無人機具備良好的飛行性能。該無人機搭配光流與GPS等模塊，支持室內室外飛行。課程將介紹組裝、傳感器與遙控器校準、參數調試、代碼下載及實際飛行測試等基本內容，讓學員在最短的時間內完成整機飛行測試。對于初接觸飛控的小白，如果自行摸索，這個過程可能要花費數月時間，而且內容零散難以形成完整的知識體系，實驗測試甚至有炸機風險。

第二步，讀代碼

這個過程是向PX4學習的過程。PX4有著完善的功能，但這也意味著有復雜的代碼。初次閱讀可能無從下手，找不到重點。

控制模塊可以分為控制邏輯和控制算法兩大部分，邏輯用于處理各種輸入輸出的選擇、切換等，算法是輸入輸出具體關系的數學表示。

PX4使用的控制算法是基于四元數的PID，但是相比于傳統的單級PID要復雜很多，一是因為多個PID串聯，二是因為是改進的PID，例如微分項不對期望進行微分且加入濾波，又如使用了飽和積分算法。

如果缺乏控制算法的知識是很難理解代碼內容的。除了上述的控制算法，控制邏輯也至關重要。課程還會講解PX4中各種模式的切換、一鍵起飛、一鍵降落等過程。為了實現一個良好的飛行效果與用戶體驗，這些模塊都值得專門地研究。

PX4速度控制框圖

第三步，改代碼

盡管PX4已經很強大，但也不能說完美無缺，而且不可能完全滿足需求。課程將以兩個典型例子展開，幫助學員實現改代碼的能力。

第一個例子是在科研領域熱門的SO(3)控制。

PX4雖然使用了四元數作為姿態控制，但是其中涉及歐拉角的計算，并不能完全避免歐拉角奇異值的問題?；赟O(3)的控制器能夠完美地避免歐拉角的缺陷，實現任意姿態的飛行控制，而且基于SO(3)的姿態控制能夠方便地與軌跡規劃結合。

第二個例子是自抗擾控制器(ADRC)，和PID一樣，該控制算法在工業界得到廣泛的應用和驗證。

通過加入觀測器，ADRC實現更魯棒的控制，抗擾動能力更強。通過學習這個例子，學員不僅能夠學會這兩個控制器算法，而且能夠實現算法與邏輯的對接，實現自定義數據格式與日志記錄，為日后的創新打下堅實的基礎。

審核編輯：黃飛