把一臺無人機從零調(diào)到能穩(wěn)定懸停最磨人的就是PID參數(shù)。最近我又把整套流程走了一遍從ROS仿真環(huán)境搭起來到Gazebo里跑PX4 SITL再到真機上做室內(nèi)懸停和航線機動前前后后重刷了好幾版參數(shù)。這篇筆記就把我的調(diào)參過程和思路完整記錄下來不只是參數(shù)表還會把串級PID的內(nèi)外環(huán)邏輯、控制頻率怎么定、仿真的參數(shù)為什么不能直接上真機這些關(guān)鍵點都拆開講。這篇筆記適合兩類人。一類是剛接觸無人機飛控知道PID是啥但不知道從哪里下手調(diào)的初學者另一類是ROS已經(jīng)裝好想在仿真里先跑通整套流程再做真機的玩家。文章會涉及一些PX4和QGroundControl的具體操作但只要照著順序往下走不需要太深的前置知識也能跟得上。真機調(diào)參有風險我一般建議先花兩天把仿真流程走熟再上真機否則一次炸機就夠你心疼很久了。1. 搭建ROS無人機仿真環(huán)境從安裝到起飛1.1 系統(tǒng)與ROS版本怎么選先交代我用的環(huán)境Ubuntu 20.04 ROS Noetic。選Noetic而不是ROS 2的Humble主要原因是PX4、MAVROS這一整套無人機生態(tài)在ROS 1下面最成熟網(wǎng)上能查到的資料也最多。如果你是零基礎(chǔ)不建議一上來就追新版本先把ROS 1這條鏈路跑通后面再遷移ROS 2會輕松很多。無人機飛控這個東西最怕的不是功能不夠新而是你踩了個坑發(fā)現(xiàn)社區(qū)里根本沒人跟你踩過同一個坑。ROS安裝本身沒什么難度就是依賴關(guān)系比較折磨人。網(wǎng)上教程很多我直接用了社區(qū)里很流行的魚香ROS一鍵安裝腳本。這個腳本在入門圈子里用的人非常多能自動處理依賴關(guān)系、初始化rosdep裝完之后創(chuàng)建工作空間、編譯packages基本不會卡在一些莫名其妙的系統(tǒng)庫問題上。手動安裝當然也可以但新手很容易卡在rosdep update和依賴缺失那一步一卡就是一整天。我的態(tài)度是工具順手就行一鍵安裝不丟人關(guān)鍵是裝完之后你得清楚自己裝了什么、工作空間怎么組織、source的是哪個setup文件。另外提一句如果你是Windows用戶又不想搞雙系統(tǒng)可以用虛擬機或者WSLWindows Subsystem for Linux跑Ubuntu但要注意USB設(shè)備的透傳問題。調(diào)真機時需要把飛控通過USB連到地面站虛擬機里要設(shè)置USB直通WSL的話要配合usbipd-win這類工具。最省心的方案還是雙系統(tǒng)雖然來回重啟麻煩一點但不會遇到設(shè)備識別不了這種玄學問題。1.2 PX4 SITL Gazebo仿真環(huán)境搭建仿真環(huán)境我選的是PX4 SITLSoftware In The Loop加Gazebo。SITL的意思是飛控代碼跑在電腦上不連接任何真實硬件Gazebo提供一個虛擬的三維世界和飛機模型。這樣做的好處非常直接你把參數(shù)調(diào)炸了大不了重啟一下仿真真實飛機不會給你表演自由落體。搭建步驟大概是先拉取PX4-Autopilot源碼然后用它自帶的make px4_sitl gazebo命令啟動仿真再裝好QGroundControl地面站以下簡稱QGC。啟動之后Gazebo里會默認出現(xiàn)一架四旋翼QGC連接后能看到傳感器數(shù)據(jù)和飛行狀態(tài)。第一次起飛前記得在QGC里把飛行模式切到Stabilized或者Position模式這兩個模式一個靠飛控穩(wěn)姿態(tài)一個再疊加位置控制都比手動模式安全得多。啟動 PX4 SITL 仿真 make px4_sitl gazebo # 另開終端啟動地面站 QGroundControl.AppImage可能有朋友要問為什么不直接在真機上調(diào)因為真機調(diào)參第一步是先驗證傳感器方向、電機轉(zhuǎn)向這些環(huán)節(jié)任何一個小錯誤就是炸機。仿真里沒有物理接線問題你能把全部注意力放在參數(shù)的變化如何影響飛機響應(yīng)這一件事上。等仿真里對調(diào)參手感有感覺了上真機再對照著試效率會高很多。2. 搞懂PID算法位置式、增量式和串級的關(guān)系2.1 位置式PID與增量式PID的本質(zhì)區(qū)別寫代碼之前先把PID的兩種常見離散形式講清楚。位置式PID的表達式是u(k) Kp * e(k) Ki * sum(e(j)) Kd * (e(k) - e(k-1))它輸出的是執(zhí)行機構(gòu)的絕對控制量比如直接給電機的油門值。這里有個經(jīng)典問題積分項會把歷史誤差一直累加一旦執(zhí)行機構(gòu)達到飽和比如油門已經(jīng)推到100%這個累積值還在繼續(xù)漲等誤差反向后要花很長時間才能退出來表現(xiàn)出來就是飛機低頭之后猛地回彈一下。這就是積分飽和。增量式PID算的是兩次控制量之間的差值delta_u(k) Kp*(e(k)-e(k-1)) Ki*e(k) Kd*(e(k)-2*e(k-1)e(k-2))注意這個式子里沒有累加項只關(guān)心當前和前兩步的誤差變化。好處是控制器輸出是增量不存在積分飽和問題而且就算某一次計算有誤也只是改變量錯了不會直接給一個很大的絕對值。飛控里很多位置環(huán)和速度環(huán)會用增量式的思路配合限幅使用控制起來更穩(wěn)。這兩種形式本質(zhì)上是同一套PID控制思想的不同實現(xiàn)區(qū)別在于輸出絕對值和輸出增量。無人機的角速度環(huán)和姿態(tài)環(huán)通常用位置式的變種再配合積分限幅和防積分飽和邏輯把這些邏輯搞清楚你調(diào)參時看到MC_ROLLRATE_I這個參數(shù)就不會一頭霧水了。2.2 無人機串級PID結(jié)構(gòu)內(nèi)環(huán)外環(huán)的作用無人機跟普通電機調(diào)速最大的區(qū)別在于它需要同時控制角度和角速度這就引出了串級PID。串級的意思就是兩個PID控制器串聯(lián)起來外層控制器先算出一個期望值內(nèi)層控制器再去跟蹤這個期望值。拿橫滾軸舉例。外環(huán)姿態(tài)環(huán)的輸入是期望橫滾角比如遙控器給15度指令它輸出一個期望橫滾角速度內(nèi)環(huán)角速度環(huán)的輸入就是這個期望角速度同時反饋陀螺儀測出來的真實角速度經(jīng)過PID計算后輸出給電機混控器一個控制量。外環(huán)每算一次相當于給內(nèi)環(huán)布置一次任務(wù)內(nèi)環(huán)再高頻地執(zhí)行這些任務(wù)。有人會問為什么這么麻煩一個PID直接把角度控制住不行嗎這里就是串級PID的精髓所在。如果只用單環(huán)控制角度遇到外部擾動時比如一陣側(cè)風、一個槳葉打滑角速度會突變但角度的反饋變化其實很滯后?？刂破饕冉嵌认绕瞬胖廊バ拚@時候飛機早就晃起來了。加上角速度內(nèi)環(huán)之后陀螺儀能立刻感知角速度變化在擾動還沒來得及變成明顯角度偏差之前就把它壓住。所以內(nèi)環(huán)是快環(huán)負責對抗擾動外環(huán)是慢環(huán)負責跟隨目標角度。內(nèi)外環(huán)的時間間隔或者說控制頻率也是按這個分工來設(shè)計的。2.3 內(nèi)外環(huán)控制頻率怎么定串級PID的分工決定了內(nèi)外環(huán)的執(zhí)行頻率必須分開。內(nèi)環(huán)處理角速度角速度變化非?？焖钥刂祁l率要高一般要到幾百赫茲的量級外環(huán)處理角度角度的變化相對滯后幾十赫茲到一百赫茲就夠用了。這種快內(nèi)環(huán)慢外環(huán)的結(jié)構(gòu)在控制領(lǐng)域叫時間尺度分離是飛控設(shè)計里非常經(jīng)典的思想。實際在PX4里控制器是在不同調(diào)度模塊里跑的各個模塊的運行頻率由固件決定。調(diào)參時你不一定需要去改這些頻率但心里要清楚你調(diào)的每一個P、I、D參數(shù)是給哪個環(huán)路的、這個環(huán)路的反饋來自哪個傳感器、這個傳感器更新速率有多少。把這條鏈路理清楚后面調(diào)參就不會瞎試。比如你發(fā)現(xiàn)飛機繞橫滾軸高頻振動第一反應(yīng)應(yīng)該是去看角速度環(huán)的參數(shù)而不是去改姿態(tài)環(huán)因為這種高頻問題只有內(nèi)環(huán)的響應(yīng)速度才能背鍋。3. 無人機PID調(diào)參實操記錄從內(nèi)環(huán)到外環(huán)3.1 調(diào)參前的準備與Checklist不管仿真還是真機調(diào)參前必須把這幾件事檢查完我列個清單傳感器校準加速度計、陀螺儀、磁力計在QGC里按向?qū)ё咭槐檫b控器搖桿映射檢查通道方向、行程大小要跟飛控預期一致飛行模式切換通道確認能穩(wěn)定切到Stabilized/Position/手動真機還需要檢查螺旋槳方向、電機轉(zhuǎn)向、電調(diào)校準、電池電壓、機架重心在PX4里橫滾、俯仰、偏航三軸的PID參數(shù)是分開的。橫滾和俯仰基本對稱所以我先調(diào)橫滾軸調(diào)通之后直接把參數(shù)復制給俯仰軸偏航軸單獨處理。注意找對參數(shù)名橫滾角速度環(huán)在QGC參數(shù)列表里是MC_ROLLRATE_P、MC_ROLLRATE_D姿態(tài)環(huán)是MC_ROLL_P別和偏航的MC_YAW_*搞混了。ArduPilot固件的參數(shù)命名完全不同但調(diào)參順序和思路是一樣的。一個小提醒把參數(shù)列表里能改的都截圖備份特別是默認值。調(diào)參過程中你一定會改亂幾次有備份才能快速回滾。我用了一個笨辦法每調(diào)一組參數(shù)就在筆記本上記一次包括改了多少、現(xiàn)象是什么、結(jié)論是什么。這種原始記錄比任何調(diào)參軟件都好用。3.2 角速度內(nèi)環(huán)調(diào)參步驟先調(diào)內(nèi)環(huán)這是整個調(diào)參過程的地基。原則是先把I和D參數(shù)置為0只保留P。P從一個很小的值開始加以我這臺350mm軸距四旋翼為例從0.05開始每調(diào)一檔加0.02到0.03然后用遙控器打一個快速橫滾指令再回中觀察飛機角速度對指令的跟隨情況。什么是合適的P理想狀態(tài)是角速度快速跟上指令沒有明顯過沖和振蕩。P太小飛機響應(yīng)很肉指令執(zhí)行得拖拖拉拉P合適跟手、干脆。繼續(xù)加P直到飛機出現(xiàn)肉眼可見的高頻抖振甚至電機發(fā)出嗡嗡的抖動聲這時候已經(jīng)到臨界點了。往回退一點在臨界值基礎(chǔ)上打個7折到8折作為P的最終值。接下來加D。D的作用是抑制角速度變化率能壓住高頻抖振但加太大反而會放大傳感器噪聲讓抖動更明顯。我習慣從0開始每次加0.001這樣的小步長觀察高頻噪聲是否安靜下來加到臨界點再退一些。最后調(diào)II用來消除靜態(tài)誤差比如飛機一直朝某個方向緩慢偏轉(zhuǎn)通常說明I不夠或者傳感器沒校準。I從0開始按0.01左右步長加加到飛機懸停時姿態(tài)穩(wěn)定不漂再稍微退一點。這里整理一份我調(diào)橫滾內(nèi)環(huán)的記錄方便你理解每次只動一個變量是什么意思調(diào)試輪次修改參數(shù)現(xiàn)象結(jié)論第1輪MC_ROLLRATE_P0.05I/D為0打桿響應(yīng)很慢飛機動作遲緩P太小繼續(xù)加大第2輪P0.10響應(yīng)改善但指令回中后仍有小幅度余搖P偏大但接近臨界區(qū)第3輪P0.08響應(yīng)利落基本無高頻抖動暫定P0.08第4輪P0.08D0.003高頻段明顯更安靜D有效保持第5輪I0.02懸停時漂移減輕回中更穩(wěn)I合適保持3.3 姿態(tài)外環(huán)調(diào)參步驟內(nèi)環(huán)調(diào)好后外環(huán)就簡單了因為它本質(zhì)上是在給內(nèi)環(huán)下指令。外環(huán)P從默認值開始觀察角度對指令的跟隨。如果角度過沖大、來回擺說明外環(huán)P太大如果角度響應(yīng)慢半拍、打桿后飛機要過一會才反應(yīng)過來說明外環(huán)P太小。外環(huán)一般不需要太強的I因為穩(wěn)態(tài)誤差主要由內(nèi)環(huán)的I來處理外環(huán)加太多I反而容易引起低頻振蕩。調(diào)外環(huán)時有幾個容易踩的坑。第一個內(nèi)環(huán)參數(shù)在調(diào)外環(huán)期間絕對不要再動否則你沒法判斷問題到底出在哪個環(huán)。第二個觀察角度響應(yīng)時不要盯著飛機本身而是看期望角度和實際角度之間的偏差我在真機上就很難用肉眼準確判斷所以要么靠手感要么直接看日志曲線。第三個如果改了外環(huán)P之后飛機出現(xiàn)周期性擺頭頻率不高但一直不停多半是外環(huán)P太大或者內(nèi)環(huán)響應(yīng)本來就偏慢這時候先降低外環(huán)P試試。我實際調(diào)參時走過彎路剛開始覺得外環(huán)P好理解就急著調(diào)外環(huán)結(jié)果內(nèi)環(huán)P本來就偏大外環(huán)怎么調(diào)都振。后來老老實實回到內(nèi)環(huán)把內(nèi)環(huán)參數(shù)重新壓住外環(huán)一次就調(diào)通了。所以請記住這個順序內(nèi)環(huán)穩(wěn)定是一切的前提。3.4 用飛行日志分析參數(shù)效果光靠肉眼和手感不夠每次試飛后把日志導出來看很有必要。QGC自帶日志分析界面能畫出角速度、姿態(tài)角、PWM輸出等關(guān)鍵曲線。我最關(guān)注的是兩項一是角速度曲線里有沒有高頻鋸齒狀振動二是姿態(tài)角曲線在階躍指令后的超調(diào)量和收斂時間。仿真里看曲線更方便因為環(huán)境沒有風控制量不會有大毛刺。真機日志里角速度曲線如果高頻段有一條細細的抖動帶很可能是傳感器噪聲被D放大要考慮降低D或者調(diào)整濾波參數(shù)。注意不是所有抖動都是PID參數(shù)問題電機軸承磨損、槳葉不平衡同樣會產(chǎn)生高頻振動這時候調(diào)PID只會越調(diào)越亂先換槳、做動平衡再回來看日志才是正路。4. 調(diào)參中遇到的坑常見問題與排查技巧4.1 高頻抖振問題高頻抖振是入坑PID調(diào)參最常見的現(xiàn)象表現(xiàn)為飛機懸停時電機聲音發(fā)緊、機身輕微發(fā)抖。調(diào)試思路是按順序排除先把D調(diào)小或者清零如果抖振明顯消失問題出在D或傳感器噪聲如果還在再把P降下來試。要是P和D都降了還在抖就該去檢查槳葉、電機動平衡以及機架有沒有共振點了。我用過一個偏方把無人機拿在手里加油門到不同油門位置感受不同轉(zhuǎn)速下的機身振動。有些機架的共振點恰好落在懸停油門附近產(chǎn)生的抖動跟PID無關(guān)。這類機械問題不解決你再怎么調(diào)參數(shù)都沒用反而會把參數(shù)壓得特別低導致飛機手感變得很遲鈍。4.2 響應(yīng)慢、漂移和震蕩問題響應(yīng)慢多數(shù)是外環(huán)P偏小也有可能是遙控器通道的輸入曲線設(shè)置太鈍在QGC里檢查搖桿輸入值是否跟實際桿量一致。漂移問題優(yōu)先檢查重心和傳感器校準然后再考慮I是否足夠不要上來就猛加I那會把傳感器零偏也一并校正成控制量。震蕩和抖振不一樣震蕩的表現(xiàn)是飛機像呼吸一樣周期性擺動頻率較低常見原因是外環(huán)P過大或者內(nèi)外環(huán)頻率比例不合適。內(nèi)環(huán)響應(yīng)太慢的時候外環(huán)還按原來的頻率控制就會出現(xiàn)外環(huán)給的任務(wù)內(nèi)環(huán)跟不上飛機慢悠悠地晃。這種情況先把內(nèi)環(huán)P和D加到位再回頭調(diào)整外環(huán)。這里可以做個小速查表現(xiàn)象可能原因優(yōu)先排查順序飛機高頻抖動D過大、P過大、傳感器噪聲、機械振動1. 先降D 2. 再降P 3. 查槳葉/電機低頻角度震蕩外環(huán)P過大、內(nèi)環(huán)響應(yīng)慢1. 降外環(huán)P 2. 增強內(nèi)環(huán)響應(yīng)持續(xù)漂移重心偏、傳感器未校準、I不足1. 查重心 2. 校準 3. 加I響應(yīng)遲緩外環(huán)P過小、搖桿曲線太鈍1. 加外環(huán)P 2. 查搖桿輸入4.3 仿真與真機參數(shù)差異的處理仿真里調(diào)好的參數(shù)直接搬到真機上大概率要翻車。仿真模型的電機響應(yīng)、空氣動力學、傳感器噪聲都是理想化的真機上有濾波延遲、電調(diào)響應(yīng)延遲、電池壓降、結(jié)構(gòu)共振等各種額外因素同樣一組參數(shù)在真機上表現(xiàn)會差很多。我的經(jīng)驗是仿真參數(shù)只作為真機調(diào)參的起點P、I、D先按仿真值的0.6到0.8倍填入再重新按內(nèi)環(huán)到外環(huán)的順序微調(diào)這樣比從零開始能快不少。還有個更隱蔽的問題就是電池電壓。仿真里電池電壓恒定不變真機上新電池和舊電池的懸停油門差異很大電壓下降后電機響應(yīng)變軟原來合適的P可能就不夠用了。所以我調(diào)參時一般固定用同一組電池電量保持在一個區(qū)間內(nèi)避免電壓因素混進來干擾判斷。另外溫度對電調(diào)和電機的響應(yīng)也有影響冬天和夏天的手感不一樣這些變量都要在調(diào)參記錄里寫上不然隔幾天你會發(fā)現(xiàn)參數(shù)自己變了。4.4 真機調(diào)試避坑清單最后再給一份更實操的真機避坑清單這些都是我用真金白銀換來的教訓真機第一次上電前務(wù)必把螺旋槳卸下來做電機轉(zhuǎn)向測試。飛控加電后每路電機輸出方向必須在固件里確認好否則一旦裝槳起飛飛機直接翻身調(diào)參時一定要在空曠無人的室內(nèi)或者在帶防護網(wǎng)的場地里進行。飛機失控后的動能不是開玩笑的系留繩在初步測試時也值得加裝每次只改一個參數(shù)改完記錄改亂了能回滾。別貪快一次改三四個參數(shù)出了問題你根本不知道是誰的鍋電池電壓和電量在試飛前檢查好電壓偏低會導致油門手感變化容易被誤判成參數(shù)問題。飛控的低電壓報警別關(guān)它在關(guān)鍵時刻能救命飛控的減震處理很重要特別是把飛控直接裝在碳纖維板上的機架高速振動通過結(jié)構(gòu)傳導到陀螺儀日志里全是噪聲再怎么調(diào)參都白搭這次調(diào)參最大的收獲我覺得倒不是最終那組參數(shù)而是把先內(nèi)環(huán)后外環(huán)每次只動一個變量用日志而不是感覺來判斷這三個原則真正刻進了肌肉記憶。以前調(diào)小車的PID感覺差不多了就收工但無人機這種強耦合、高動態(tài)的系統(tǒng)每一步都糊弄不得?，F(xiàn)在再讓我調(diào)一個新機架心里就很有底了無非是按這套流程重新走一遍快的話半天就能出一組能飛的參數(shù)。下一步我打算給這臺飛機加上視覺感知模塊做點簡單的目標跟蹤飛行讓飛機不只是穩(wěn)定懸停還能跟著目標走到時候再繼續(xù)分享新的踩坑經(jīng)歷。