1、什么是控制分配?

對(duì)于多旋翼飛控，一般而言將整個(gè)控制回路進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，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(jiǎn)單來講，如下所示：

2、控制分配有什么好處?

Ø 單獨(dú)設(shè)計(jì)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(jì);

Ø 能夠防止電機(jī)輸出飽和，具體后面會(huì)講到;

Ø 能夠提升對(duì)故障或損傷的魯棒性，簡(jiǎn)單來說，例如斷槳保護(hù)等功能的設(shè)計(jì)，這部分比較復(fù)雜，本文不會(huì)講到;

3、為什么要單獨(dú)講解控制分配?

控制分配在工程應(yīng)用時(shí)很容易忽略到，相信設(shè)計(jì)過飛控軟件的人有所體會(huì)，這部分內(nèi)容不會(huì)特別關(guān)注，電機(jī)輸出就是簡(jiǎn)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(shí)，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(jiǎn)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(gè)軸向的控制量，這里和油門值直接進(jìn)行混控，得到每個(gè)電機(jī)的輸出值。

看到這里，相信有些讀者對(duì)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(gè)符號(hào)，然后看實(shí)際的電機(jī)反饋。當(dāng)然，這個(gè)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(shí)候2、3電機(jī)加上這個(gè)正向控制量，1、4減去這個(gè)正向控制量，即飛行器往右飛行。同理可得其他方向的符號(hào)。

注意下，偏航控制量的符號(hào)與電機(jī)的順時(shí)針逆時(shí)針有關(guān)。

這種簡(jiǎn)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(shí)，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(huì)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(gè)電機(jī)輸出上恒定加入一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)很難確定一個(gè)合理范圍;

其次，油門最低時(shí)，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(duì)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(gè)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(shí)際很多都是畫圈飛行，當(dāng)然這個(gè)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(gè)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(jiǎn)答理解就是，有一個(gè)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(gè)好的控制分配算法至少要能解決：

油門控制量過大過小時(shí)，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(jiǎn)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(shí)對(duì)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(gè)知識(shí)點(diǎn)：

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(jì)算picth_scale和yaw_scale。

然后根據(jù)電機(jī)的最大最小輸出，計(jì)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(jì)算。

如果加入yaw后，電機(jī)輸出飽和，對(duì)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(duì)代碼進(jìn)行公示推導(dǎo)了，掌握主要思路即可。