四旋翼那些事-04.飞控姿态控制台架试验(Roll Pitch)

四旋翼那些事-04.飞控姿态控制台架试验(Roll Pitchs)

说明：

• 本教程介绍飞控开发中的飞行姿态控制台架测试

飞控姿态控制台架试验

• 做飞控开发时，必须经历的一步，就是飞行姿态控制台架测试

• 上图就是我们(WalkAnt & A'bel)自制的姿态测试台架，只需要一根光轴和两个轴支座就可以将飞行器简单固定住

• 飞行器只能绕着横梁旋转，通过此试验台可以对roll、pitch的控制特性分别进行测试

• 在飞控自稳飞行之前，都需要在这个台架上对Roll、Pitch的内环（速度闭环）、外环（位置闭环）进行反复的调试，直到性能非常稳定以后，才可会给它解绑，让它飞向天空

• 以下仅以 roll 角为例进行性能分析，pitch测试类同

1. Roll 内环测试

• roll角控制分为外环和内环，内环为速度跟踪环，外环为位置跟踪环

• 调试时，一般先将内环跟踪调试好，再调试外环

• 以下是roll角内环测试时的速度跟踪曲线（目标跟踪速度正负90°/s）

• 上图我们发现当给定一个期望角速度，实际角速度从0°/s上升到90°/s花费的时间大约为350ms

• 这个跟踪时间稍微有点长，这个有待进一步优化

• 同时通过上图发现角速度往正向跟踪时稍显缓慢，这和试验测试的场景有一定的关系，试验测试场景描述如下：

• 正向运转测试时，飞行器roll角从-60°经过0°（水平位置）再到+60°位置停下

• 反向运转测试时，飞行器roll角从+60°经过0°（水平位置）再到-60°位置停下

• 上图为roll角的变化曲线，基本上roll角的变化斜率（速率）是一定的

• 由于roll角变化角度非常大，以至于飞行器重心波动非常大，所以给速度跟踪带来了一定影响

• 下图为速度跟踪时记录的系统阻尼曲线

• 我们发现正向运动时阻尼大概是0.2，反向运转时阻尼为0.1

• 这导致正向运转跟踪速度受到一定的影响

2. roll外环测试

• 以下是roll外环测试的曲线（目标跟踪角度正负45°）

• 上图我们可以看到，roll角跟踪非常良好，正向跟踪最大2.4°的超调,反向跟踪时最大5°的超调

• 下图是角速度的曲线，同时可以看到角度跟踪延时有330ms

• 这个延时与前面提到的350ms角速度延时基本一致，这个是需要进一步优化的

3. 电机特性分析

• 在最初开发阶段，我们对飞行器响应特性进行了测试

• 测试时发现电调、电机的综合响应性能并不理想

• 以下是我们实验记录的一组指令扭矩与电机角速度响应曲线

• 我们每5ms采集一个点，从上图曲线中我们发现电机角速度相对指令扭矩之间有100ms左右的相位延时

• 通过多次实验，我们最终确定该电机、电调和螺旋桨的综合响应延时时间100ms，惯性时间常数约40ms（响应频率4hz）

• 这个参数指标有点让人意外，这样的特性严重降低了我们控制调节的带宽和频率

• 关于电机、电调准确延时时间，我暂时还没有做非常严格的测试，严格的测试需要用到我们前不久制作的无刷电机拉力测试台，请参考我的另外一篇文章：http://blog.sina.com.cn/s/blog_402c071e0102wyji.html

• 由于受现有电调固有特性的限制，电调的调节频率目前为50hz

• 我们的姿态控制算法运行在200hz频率下，实际电机指令输出频率50hz

4. 另附一组数据（2017年1月9日更新）

• 这是Pitch角的测试结果，下图包含了目标角速度与目标角度的跟踪结果

• 下图为内环（角速度跟踪）

• 下图为外环（角度跟踪）