1、什么是控制分配?
對于多旋翼飛控，一般而言將整個控制回路進(jìn)行分層設(shè)計，比如位置控制、速度控制、姿態(tài)控制等，而控制分配則負(fù)責(zé)將上層控制器得到的輸出(滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航的力矩)，映射到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即電機(jī)，進(jìn)行轉(zhuǎn)速輸出。簡單來講，如下所示：
2、控制分配有什么好處?
Ø 單獨設(shè)計控制分配，可以將底層控制與上層控制進(jìn)行分離，便于控制器的設(shè)計;
Ø 能夠防止電機(jī)輸出飽和，具體后面會講到;
Ø 能夠提升對故障或損傷的魯棒性，簡單來說，例如斷槳保護(hù)等功能的設(shè)計，這部分比較復(fù)雜，本文不會講到;
3、為什么要單獨講解控制分配?
控制分配在工程應(yīng)用時很容易忽略到，相信設(shè)計過飛控軟件的人有所體會，這部分內(nèi)容不會特別關(guān)注，電機(jī)輸出就是簡單控制量的加減。這樣做也是可以的，能夠?qū)崿F(xiàn)功能，但是不夠好，細(xì)節(jié)部分需要進(jìn)行優(yōu)化處理，筆者認(rèn)為這部分既重要，又容易被忽視，當(dāng)控制器性能不好時，一味的進(jìn)行調(diào)參是解決不了問題的。
4、下面以工程代碼為例，一步步進(jìn)行邏輯推演講解：
先看一組最簡單的
control_roll、control_pitch、control_yaw為姿態(tài)控制器所得的結(jié)果，分別代表三個軸向的控制量，這里和油門值直接進(jìn)行混控，得到每個電機(jī)的輸出值。
看到這里，相信有些讀者對如何確定代碼中控制量的正負(fù)有疑問?
最粗暴的辦法就是：直接試湊，定個符號，然后看實際的電機(jī)反饋。當(dāng)然，這個太low了，我們從理論推演下。
首先需要確定飛行器的機(jī)體坐標(biāo)系，假設(shè)以滾轉(zhuǎn)控制量為例，我們認(rèn)為滾轉(zhuǎn)角roll是左負(fù)右正，這樣的話，假設(shè)往右打桿，目標(biāo)設(shè)定是正，反饋為0 ，產(chǎn)生的控制量為正，這時候2、3電機(jī)加上這個正向控制量，1、4減去這個正向控制量，即飛行器往右飛行。同理可得其他方向的符號。
注意下，偏航控制量的符號與電機(jī)的順時針逆時針有關(guān)。
這種簡單混控的問題?
首先是油門沒有限幅，假設(shè)遙控器油門通道輸出范圍在1000~2000，電機(jī)接收的范圍在1000~2000，如果飛行過程中油門推到最大，則所有的電機(jī)用來響應(yīng)油門通道了，此時，不管你飛行器的姿態(tài)控制量分別是多少，都無法響應(yīng)，這樣會導(dǎo)致飛行器不能保持姿態(tài)穩(wěn)定。
改進(jìn)一
這里將油門通道的值進(jìn)行比例縮放，電機(jī)最多響應(yīng)70%油門，剩余的30%電機(jī)量用來響應(yīng)姿態(tài)控制器的輸出，保證控制器的響應(yīng)裕度。
如何加入飛行器的怠速?
改進(jìn)二
如圖所示，只需在每個電機(jī)輸出上恒定加入一個轉(zhuǎn)速值，該值就是怠速，一般在行程的10%，如設(shè)0，則沒有怠速。另外，油門通道的比例也要做一個微調(diào)。
寫到這里，這是目前市面上很多開源飛控的控制分配寫法了，需要注意的是：
Ø 合理分配油門通道的響應(yīng)，姿態(tài)控制輸出的裕度;
Ø 姿態(tài)控制器的輸出限幅，要定一個合理的范圍，過大過小都沒有意義;
這種控制分配有哪些問題?
首先，就是控制器的輸出限幅，這個很難確定一個合理范圍;
其次，油門最低時，如果執(zhí)行外八/內(nèi)八加鎖操作，飛行器易翻機(jī)，電機(jī)輸出用來最大響應(yīng)yaw控制量，直觀現(xiàn)象就是對角的電機(jī)轉(zhuǎn)速差異很大，甚至有電機(jī)停轉(zhuǎn);
再者，極端情況下，比如三個軸向的控制量都很大，生成的電機(jī)輸出超過了最大值，比如得到2200，做不到優(yōu)先保證姿態(tài)控制量的響應(yīng);這種情況需要降油門或者縮放姿態(tài)控制量，保證輸出在范圍內(nèi)。
還有一些細(xì)節(jié)問題與其有關(guān)。
比如只打yaw桿，理論上飛行器應(yīng)該繞軸旋轉(zhuǎn)，但實際很多都是畫圈飛行，當(dāng)然這個主要問題在于姿態(tài)控制，但是也與控制分配有關(guān)，如果打桿速度很快，yaw產(chǎn)生的控制量很大，roll和pitch方向上沒有充分的裕度進(jìn)行響應(yīng)。
推廣到六軸或八軸，如其中一個電機(jī)不轉(zhuǎn)，能否平穩(wěn)飛行?
答案是這種控制分配方法更易出問題，簡答理解就是，有一個電機(jī)停轉(zhuǎn)，那分配到其他電機(jī)的轉(zhuǎn)速是增大的，這樣很容易電機(jī)飽和。當(dāng)然，如果本身電機(jī)輸出沒到飽和狀態(tài)，也是可以繼續(xù)穩(wěn)定飛行的。
總結(jié)一下：
一個好的控制分配算法至少要能解決：
油門控制量過大過小時，能夠有充分的姿態(tài)控制裕度，這樣才能保證飛行穩(wěn)定;
簡單來說，要能夠根據(jù)電機(jī)輸出的大小，能夠進(jìn)行油門量的增大減少，同時對姿態(tài)控制量進(jìn)行縮放。
以pixhawk的控制分配算法mixer為例：
算法步驟：
先不考慮yaw控制量，只融合roll、pitch和油門。得到電機(jī)輸出的最大最小值。
插入一個知識點：
代碼里的_roll_scale變量，是根據(jù)飛行器的幾何構(gòu)型得到的，以四軸X字型為例
同理計算picth_scale和yaw_scale。
然后根據(jù)電機(jī)的最大最小輸出，計算姿態(tài)縮放值roll_pitch_scale和油門量的變化值boost。
油門和姿態(tài)進(jìn)行混控后，加入yaw，再次進(jìn)行計算。
如果加入yaw后，電機(jī)輸出飽和，對yaw進(jìn)行縮放。
最后加入縮放后的yaw和怠速，得到最終的電機(jī)輸出。
這里就不對代碼進(jìn)行公示推導(dǎo)了，掌握主要思路即可。
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