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設(shè)備與工具引 言
本文內(nèi)容主要闡述控制分配在多旋翼無人機上的使用方法，想要更多了解“控制分配”的朋友可以在無人機系統(tǒng)技術(shù)公眾號內(nèi)回復(fù)“控制分配”獲取兩篇經(jīng)典參考文獻。
控制分配最先在飛行控制系統(tǒng)設(shè)計中提出，目前已推廣至許多工程實際中，如船舶動力學(xué)、地面車輛動力學(xué)等。其基本思想是將上層控制指令依據(jù)某種優(yōu)化目標分配給冗余的執(zhí)行機構(gòu)，并確保滿足執(zhí)行機構(gòu)的約束條件?？刂品峙渌惴ǖ难芯拷?jīng)歷了從簡單到復(fù)雜、從靜態(tài)優(yōu)化到動態(tài)優(yōu)化、從單目標優(yōu)化到多目標優(yōu)化的發(fā)展過程。
什么是控制分配？
關(guān)注我公眾號比較早的朋友應(yīng)該知道我前面寫了很多篇文章來介紹控制器的架構(gòu)以及控制律的設(shè)計。新關(guān)注的朋友可以先去看看前面的文章。我們在這里整理一下：
PX4姿態(tài)控制算法詳解
無人機控制器設(shè)計（一）：入門簡介
無人機控制器設(shè)計（二）：位置控制器設(shè)計
無人機控制器設(shè)計（三）：基于歐拉角的姿態(tài)控制器設(shè)計
那么看過文章的朋友應(yīng)該知道控制律的輸出往往不是直接對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)。以電動無人機為例，多旋翼無人機的執(zhí)行機構(gòu)一般是電機，我們通過控制電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)飛機的姿態(tài)變化，進而控制飛機的速度、位置。而無人直升機的執(zhí)行機構(gòu)一般是電機加舵機，電機用于控制主旋翼和尾槳的轉(zhuǎn)速，舵機用于控制總距、縱向周期變距、橫向周期變距、尾槳距。固定翼無人機的執(zhí)行機構(gòu)與無人直升機類似，電機控制推進槳的轉(zhuǎn)速，舵機控制升降、副翼、方向。
除固定翼無人機的控制分配相對簡單之外，多旋翼無人機和無人直升機的控制分配都較為復(fù)雜，今天我們先來了解多旋翼無人機的控制分配方法。
先來回顧一下控制律設(shè)計部分的輸出，最后得到的是期望升力、三軸期望力矩。而多旋翼無人機的執(zhí)行機構(gòu)是各個電機，所以，控制分配在這里要完成的任務(wù)就是根據(jù)某些約束條件將期望升力、三軸期望力矩映射到電機的轉(zhuǎn)速上來。
而一般情況下我們的約束條件就是電機的轉(zhuǎn)速上下限，有時候為了給姿態(tài)控制留下足夠的裕度，我們也會給定油門的限制范圍，或者在姿態(tài)控制出現(xiàn)電機飽和的時候優(yōu)先保障姿態(tài)控制，減弱油門控制。
多旋翼無人機的控制分配矩陣求解
在目前的絕大部分飛控中，控制分配的作用主要是將虛擬控制輸出映射到具體執(zhí)行機構(gòu)的輸出，也就是求取期望升力、期望力矩到各電機期望轉(zhuǎn)速的映射矩陣。
今天我們以“X”型四旋翼和“X”型六旋翼為例說明控制律虛擬控制輸出到各電機轉(zhuǎn)速之間的映射關(guān)系。
“X”型四旋翼
假設(shè)控制律得到期望的升力和期望力矩分別為：
在實際飛控系統(tǒng)中，CT和CM是很少去精確測量，而是通過調(diào)節(jié)控制律參數(shù)來實現(xiàn)通道間的差別。為此我們稍微修改一下控制效率模型：
可以進一步寫成：
由于矩陣M可逆，所以有：
因此對于X型四旋翼來說，控制分配矩陣是唯一的。
“X”型六旋翼
X型六旋翼的計算方法與X型四旋翼類似，只不過六旋翼的執(zhí)行機構(gòu)是六個，而要控制的量只有四個：升力、三軸力矩，所以其分配矩陣不唯一，我們一般通過求取偽逆得到控制分配矩陣，大家可以想一想為什么是偽逆？
假設(shè)控制律得到的期望升力和期望力矩為：
與四旋翼類似，我們也是通過調(diào)節(jié)控制律中的參數(shù)來匹配CT、CM、d這些未知參數(shù)
上述公式可以進一步寫成：
所以X型六旋翼的電機期望轉(zhuǎn)速為：
總 結(jié)
本文的控制分配主要是對虛擬控制輸出與執(zhí)行機構(gòu)之間的映射關(guān)系進行了描述，這是控制分配最基本的使用方法。實際上，控制分配在無人機單個或多個執(zhí)行機構(gòu)出現(xiàn)故障并失效時如何重新分配控制矩陣，保證飛行器能夠安全飛行，這個才是我們應(yīng)該著重考慮的問題，有興趣的朋友可以先自行研究。
威海程航航空科技有限公司成立于2017年，是一家專業(yè)從事無人機研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)為一體的高科技創(chuàng)新型公司，總部位于威海市文登區(qū)綠谷孵化園區(qū)內(nèi)。公司致力于無人機整機及其搭載設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)，并通過結(jié)合陸地智能機器人、淺水智能機器人、云服務(wù)和現(xiàn)代化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)出能夠集實時視頻通話、采集檢測、數(shù)據(jù)服務(wù)等功能為一體的，適用于各行業(yè)的智能無人機。公司特聘請清華大學(xué)博士團隊組成專業(yè)核心研發(fā)團隊，以改善無人機在行業(yè)應(yīng)用中的終極體驗為目標.
以“創(chuàng)新+實用”為理念，致力打造操作簡單、實用的無人機。
程航希望我們的企業(yè)可以服務(wù)于客戶，我們的產(chǎn)品可以服務(wù)于行業(yè)。
讓人們暢享無人機樂趣的同時，也讓它能真正成為人們工作中的親密伙伴。
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