PX4 多旋翼的四个控制环

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2026-07-03

PX4 多旋翼采用级联控制结构。外层控制器的输出作为内层控制器的输入，最终将位置或速度等高层目标逐步转换为电机输出。

这是 PX4 多旋翼控制的总架构图。

左侧虚线框代表 Inertial Frame ，也就是惯性系；右侧虚线框代表 Body Frame，也就是机体系；中间的模块 Acceleration and Yaw to Attitude 是两者之间的桥梁，负责把惯性系下的加速度目标转换为机体系相关的姿态目标。

各个字母的下标sp 是 setpoint 的缩写，意思是“期望值”或者“目标值”。

第一环：Position Control 位置控制。位置环主要是 P 控制器，它的目标是根据目标位置和当前位置的误差，计算一个速度目标。

第二环：Velocity Control 速度控制。速度环是 PID 控制器。它的目标是根据目标速度和当前速度的误差，计算一个加速度目标。

左边两环下面写着 50 hz，意思是位置环和速度环大概以 50 Hz 的频率运行。为什么外环频率比较低？因为位置和速度变化相对慢，不需要每一毫秒都算。无人机的位置不会在 1 ms 内发生剧烈变化。

中间模块：Acceleration and Yaw to Attitude。它将 $A_{sp}$ （加速度期望）和 $ψ_{sp}$ （偏航角期望）转换为 $q_{sp}$ （姿态期望）。 $q_{sp}$ 中的 $q$ 不是普通的角度，而是 quaternion，四元数。

第三环：Angle Control 姿态控制。姿态环主要是 P 控制器。它的目标是根据目标姿态和当前姿态的误差，计算角速度目标。

第四环：Angular Rate Control 角速度控制。角速度环是 PID 控制器。它的目标是根据目标角速度和当前角速度的误差，计算各种控制力矩。

右边两环下面写着 250 Hz 和 1kHZ，表示姿态环约 250 Hz，角速度环约 1 kHz。为什么内环频率更高？因为飞机的姿态和角速度变化很快。如果角速度控制不及时，飞机很容易抖动、发散，甚至炸机。

最右边的 Mixer 可以理解成混控器 / 控制分配器，它的作用是把前面算出来的控制量转换成每个电机的输出。

PID控制器

PID 是一种根据当前误差、历史累计误差和误差变化趋势来计算控制输出的自动纠偏方法。

PID 是三个部分：

P = Proportional，比例
I = Integral，积分
D = Derivative，微分

也就是：

P：现在差多少，就改多少。
I：长期差一点，就慢慢补。
D：变化太快，就提前刹车。

下面是一个例子：

无人机想保持速度 1 m/s，但现在只有 0.7 m/s，控制器就要想办法让它加速。