ArduPilot—ArduCopter 飞行模式

本文转载自：https://blog.csdn.net/xiaoshuai537/article/details/60465851

ArduPilot官方Tutorial PDF(2017.2): http://download.csdn.net/download/xiaoshuai537/10262086

ArduPilot中有14种常用的模式：

• 依赖GPS的模式有：Auto、Circle、Drift、Follow Me、Guided、Loiter、PosHold、RTL和Throw；
• 不依赖GPS的有：Acro、Alt Hold、Land、Sport和Stabilize模式。

1. Acro（特技模式）

直接用摇杆控制飞行器的角速度，松开摇杆飞行器将保持原有的姿态。常用于特技表演。

2. Alt Hold（定高模式）

在Alt Hold模式下，飞行器保持高度不变，可以操作俯仰、滚转和偏航。Alt Hold模式是很多模式的基础，例如Loiter和Sport。Alt Hold采用气压计测高、如果高度低于约8m，可以自动使用声呐定高。

2.1 用油门控制飞行器的升降速度：

• 油门在40-60%（死区）会保持现有高度；
• 超出上述范围，根据摇杆拨动幅度，升降速度会不同，油门为0时，下降速度为2.5m/s，油门100%，上升速度为2.5m/s，该数值可以通过PILOT_VELZ_MAX调整；
• 死区的范围可以通过THR_DZ调整，调整范围为0-400，0表示死区为0,400表示死区为（50-40）%~（50+40）%，即10-90%。

2.2 PID调试

• Altitude Hold中的P将高度偏差转化为升降速度偏差，P越大，保持高度稳定的趋势越强，但是P值过大会导致不平稳；
• Throttle Rate中PD用于将升降速度转化为升降加速度；
• Throttle Accelerate中PID用于将加速度偏差转化到电机输出，P:I=1:2，其值不能增加，但是对于动力强劲的飞行器，将其值减小（如P=0.5，I=1）可能会得到更好的响应；

2.3 用日志验证效果

下载日志，比较气压计高度（BarAlt）、目标高度（DelAlt）和内部导航估计的高度（Alt）。

2.3 常见问题

• 强烈震动导致飞行器突然爬升；
• 飞行器升降缓慢，这是由于油门不在中位，通常发生在从手动模式（如Stabilize）切换到AltHold模式时；
• 刚切换到AltHold模式时，电机可以短时停转，这是由于在快速爬升时切换到该模式；
• 空气压力改变时可能导致飞行器高度波动；
• 飞行器高速飞行后会出现短暂掉高（1-2m），这是由于空气动力学的影响，飞行器顶部压力降低，飞控因为飞行器高度增加了；
• 接近地面时，气压计测量变得不准确；
• 光直射会导致高度变化

2.4 充足的动力

理想情况下降，50%油门时能够飞行是比较合适的，超过70%会比较危险。

如果你在遥控器中设置了油门曲线expo，死区范围将会增大。

3. Auto（自动模式）

将执行预编程指令，包括导航命令和DO命令。

3.1 控制

• 从地面起飞时，油门大于0时开始执行任务；如果在空中开启Auto模式，会跳过自动跳过TakeOff（起飞）命令。
• 任何时候Auto模式都可以切换到其他模式，当再次回到Auto模式时，从头开始执行任务。
• Auto模式飞行过程中，roll、pitch和throttle操作都会被忽略，但是可以通过遥控器控制yaw，这允许飞行过程中飞行器以一定指向前进；在经过下一个航点时，飞控会尝试重新获取yaw的控制权。
• 飞行任务指令可以通过【飞行计划】进行修改。

3.2 调试

Auto模式融合了AltHold模式的高度控制和Loiter模式的位置控制。

最大水平速度可以在上图SPEED中设置，一般多旋翼飞行器飞行速度可达10-13m/s。高度方向最大速度可以通过Speed Up和Speed Dn设置。与航点距离小于Radius设定值时，任务认为完成了，这个只有当航点设置有延时时才应用。

4. Brake（刹车模式）

这个模式将尽快停止飞行器，该模式使用了Loiter，需要GPS的支持，一旦启用，该模式不接受飞行操控信号。

5. Circle（绕圈模式）

绕圈模式会以兴趣点为中心，机头朝兴趣点旋转，旋转半径可以通过CIRCLE_RADIUS控制。如果半径为0，则飞行器原地不动，缓慢旋转。飞行速度可以通过CIRCLE_RATE修改，正表示顺时针旋转。当旋转时产生的中心加速度超过限制（WPNAV_ACCEL）时，旋转速度会被限制。

roll和pitch对该模式无效，但是throttle可以控制飞行高度，遥控器可以控制yaw，调整机头方向，并且重启该模式前，该模式不会尝试重新获取yaw控制权。

在mission planner中，LOITER_TURNS包含了CIRCLE模式。

6. Drift（漂移模式）

• 漂移模式允许像固定翼一样操控多旋翼，其设置了自动的坐标系转换。
• 用户直接控制yaw和pitch，但是roll由飞行器控制；
• 与stabilize相同的方式控制throttle

7. Follow Me（跟随模式）

需要使用数传、地面站以及蓝牙或USB GPS模块。

飞行器每2s执行Fly to here命令。

8. Guided（引导模式）

该模式利用数传好地面站，实时引导飞行器位置。引导模式不是一个基本模式，是在其他几种模式中切换形成的。当飞行器到达目标点后，会在目标点上方悬停。

Guided_NoGPS模式不需要GPS，他接受姿态目标而非速度和位置目标。

9. Land（着陆模式）

10m以上采用AltHold模式中设置的下降速度：

10m以下采用LAND_SPEED中设置的下降速度，默认0.5m/s；

落地后，会自动停止电机转动，如果油门处于最低位置会上锁；

油门最低、升降速度小于0.2m/s超过1s，并且高度不超过home高度10m，即认为着陆；

如果着陆时飞行器反弹，尝试降低LAND_SPEED中下降速度；

如果飞行器有GPS锁，则采用Loiter模式控制飞行器；如果飞行器无GPS，则采用Stabilize模式。

10. Loiter（悬停模式）

悬停模式会保持飞行器当前的高度、位置和航向。

10.1 控制

• 可以通过roll和pitch控制飞行器位置，默认水平最大速度为5m/s；
• 高度可以通过throttle控制，如同AltHold模式；
• 航向可以通过yaw控制；
• 只有在GPS 3D 锁定并且HODP小于2.0时才能在Loiter模式下解锁。

10.2 调试

• WPNAV_LOIT_SPEED：最大水平速度（默认5m/s），默认最大加速度数值为其一半（默认2.5m/s2）；
• WPNAV_LOIT_MAXA：最大加速度（cm/s2），值越大，加速和停止性能越好；
• WPNAV_LOIT_MINA：最小加速度，值越大，摇杆回中时停止越快，但是可能导致动作不平滑；
• WPNAV_LOIT_JERK：加速度的改变（cm/s3），越大响应越快，越小越平滑；
• POS_XY_P（上图中Loiter PID中的P）：将位置差转换为合适的移动速度；
• VEL_XY_P（上图中Rate Loiter PID）：将速度转换为加速度，加速度随后转换为倾斜角度，传送给Stabilize模式处理。

10.3 常见问题

• 摇杆回中后，稳定得非常慢可以增加WPNAV_LOIT_MAXA（例如到500）、WPNAV_LOIT_MINA（例如到100）和WPNAV_LOT_JERK（例如到4000）；
• 飞行器转圈，这通常是磁罗盘问题，最可能的原因是电池电缆的影响，可以进行磁罗盘补偿（http://ardupilot.org/copter/docs/common-compass-setup-advanced.html#common-compass-setup-advanced-compassmot-compensation-for-interference-from-the-power-wires-escs-and-motors）或者采用外置磁罗盘；磁罗盘校准过程出现问题也可能导致该现象；
• 悬停模式一启用，飞行器朝错误方向飞，这个 问题原因同上，不同之处在于偏差角度大于90度；
• 悬停正常，突然像错误方向移动，这通常是GPS失灵导致。因此需要随时准备手动接管，此外，起飞前保证良好的HDOP、以及减小GPSGLIPTCH_RADIUS和GPSGLIPTCH_ACCEL以加强失灵检测也是有利的；

10.4 HDOP显示

双击【飞行数据】左下角【快速】中某显示数值，可以改为显示HDOP。

10.5 通过日志验证悬停性能

查看NTUN中DesVelX和VelX，以及DesVelY和VelY。

高度信息查看如同AltHold。

11. PosHold（悬停角度控制模式）

PosHold模式和Loiter模式类似，都是保持当前高度、位置和航向。不同的是PosHold模式的摇杆直接控制飞行器偏转的角度。

最大的刹车角度可以通过PHLD_BRAKE_ANGLE设置（3000表示30°）。

飞行器旋转到最大角度的速度可以通过PHLD_BRAKE_RATE设置（8表示8°/s）。

12. Position（位置模式）

与Loiter模式类似，保持当前位置和航向，不同之处在于手动控制油门以升降飞行器。

GPS锁定的LED灯显示：

• APM上蓝色LED灯稳定；
• GPS上蓝色LED灯稳定；
• GPS+COMPASS上蓝色LED灯闪烁。

13. RTL（返程模式）

RTL模式将引导飞行器飞回HOME上方。

13.1 概述

当飞行器高度高于RTL_ALT时将保持原有高度，反之则按RTL_ALT高度飞行，默认值为15m。

对于旋翼飞行器，RTL将返回至GPS定位后解锁的地方。

RTL模式使用气压计测量高度，6m以下可以采用声呐定高。

13.2 选项

（1）RTL_ALT：返回的最低高度

• 设为0表示在当前高度返回；
• 返回高度0.01~8m；
• 默认返回高度为15m；

（2）RTL_ALT_FINAL：完成任务或RTL最后阶段的高度

• 设为0将自动着陆；
• 最终高度0.01~10m；

（3）RTL_LOIT_TIME：停在HOME上方的时间（ms），时间0~60s

（4）WP_YAW_BEHAVIOR：设置任务和RTL中的偏航角度

• 0表示不改变yaw；
• 1表示面向下一个航点或RTL时面向家的方向；
• 2表示面向下一个航点，RTL时保持最终航向不变；

（5）LAND_SPEED：最终阶段下降的速度（0.2~2m/s）

（6）RTL_CLIMB_MIN：RTL初始阶段最低爬升高度（cm），默认为0

（7）RTL_SPEED：返回时的水平速度（cm/s），默认为0，表示使用WPNAV_SPEED

（8）RTL_CONE_SLOPE：定义当返回点离家很近时的爬升斜率

13.3 注意事项

• WPNAV_ACCEL、WPNAV_SPEED_DN和WPNAV_SPEED_UP也会影响RTL模式；
• 需要GPS定位；
• 降落和重新解锁将会重新定义HOME的位置；
• 如果飞行中GPS定位，HOME将设在此处；
• 如果设置RTL_ALT为非0，返回时将保持该高度；
• RTL使用WPNAV_SPEED来定义飞行速度；
• 飞行器到达HOME上方时将暂停RTL_LOIT_TIME、AUTO_LAND的时间，然后降落。

14. Simple（简单模式）和Super Simper（超简模式）

这两种模式可以使用户不用关心飞行器的朝向。

• 这两种模式可 以叠加到几乎所有模式下（除了Acro和Drift）；
• 简单模式的朝向以起飞时朝向为参考方向定义坐标系、只需要磁罗盘；
• 超简模式定义飞行器与家的方向为参考方向定义坐标系，需要GPS定位；
• 两个模式可以与普通模式之间通过遥控器上CH7/CH8切换。

超简模式下，无论飞行器在任何位置，往回拉pitch将试飞行器往家的方向走；但是在离家10m范围内，方向不会更新，因此不宜在家附近飞。

15. SPORT（运动模式）

• roll、pitch和yaw控制飞行器的转动速率，因此当摇杆归位时，飞行器将保持当前姿态；
• 最大角度为45°（可以通过ANGLE_MAX设置）；
• 高度采用AltHold控制方法，因此油门中间10%范围内油门摇杆将不起作用，升降速度为2.5m/s（通过PILOT_VELZ_MAX设置）

16. Stabilize（自稳模式）

• 自稳模式会自动平衡roll轴和pitch轴。
• roll和pitch输入控制飞行器的倾斜角度，当松开roll和pitch摇杆时飞行器自动平衡；
• 飞行器需要周期性roll和pitch来保持位置，因为有风的影响；
• 当松开yaw杆时保持当前朝向；
• 油门控制电机的平均速度，如果油门波到最低其转速回达到最低值MOT_SPIN_ARMED；
• 油门输出到电机的大小是由飞行器的倾斜角度自动分配的。

16.1 调试

• ANGLE_MAX控制最大倾斜角，默认为45°；
• ANGLE_RATE_MAX控制最大的旋转速度，默认为180°/s；
• ACRO_YAW_P控制根据yaw的输入，飞行器旋转速度，默认的4.5控制当摇杆到最大值时转速为200°/s，越大转速越快；
• 自稳模式roll/pitch的P控制飞行器响应输入差值的速度，默认4.5会在1°偏差时以4.5°/s旋转，7或者8会使飞行器产生更强的反应来抵抗风的影响；若P较低，会导致旋转缓慢，可能使抗风能力降低，甚至导致坠机。如果想使飞行更平滑，首先应先尝试降低RC_Feel的值；
• Rate Roll/Pitch P, I和D根据理想的转速控制电机的输出。这些项通常与负载能力与重量比有关，比值越高，PID值越小。例如高负载飞行器的P值可低至0.08，而低负载的飞行器P值可到0.18甚至更高；

        （1）P值是调试飞行器最重要的参数；

        （2）P值越高，响应越快；

（3）默认P为0.15；

（4）I用于补偿使飞行器长时间不能保持理想速度的外力；

（5）I越高维持理想速度的响应越快，并且会快速下降来避免超调；

（6）D用于抑制飞行器加速到理想点的响应，D值高可能会导致不寻常的震动和记忆效应（响应慢），合适的D为0.011；

（7）根据飞行器的不同，值可以在0.001~0.02范围内变化；

16.2 利用日志验证效果

 比较ATT中Roll-In/DesRoll（理想值）和Roll（实际值），以及Pitch-In/DesPitch和Pitch。

16.3 常见问题

• 新飞行器起飞时弹跳，这通常是由于电机顺序不对或者桨不对；
• 飞行器绕roll/pitch轴摇摆，这通常表示 Rate P不对；
• 飞行器下降较快时摇摆，这是由于桨的自洗导致，这不太可能调整好，但是提高Rate Roll/Pitch P可能会有帮助；
• 飞行器起飞时左或者右转15°，这是由于一些电机可能不是线性的或者ESC没有校准好；
• 即使在无风环境下，飞行器也偏向于向一方飞行，尝试SavTrim或AutoTrim来使飞行器水平；
• 飞行器高度保持不好，这是由于自稳模式是手动模式，需要摇杆控制稳定；
• 有时roll和pitch抽动，正常情况下是由接收机受到某种干扰引起的或者是ESC问题，解决方法是重新校准；
• 飞行过程中突然弹跳，这可能是电机或者ESC的机械故障；

17. Throw（抛飞模式）

抛飞模式存在危险性，该模式允许飞行器抛向空中来启动电机，当在空中时，该模式不在接受任何输入信息，这个模式需要GPS。

17.1 使用方法

（1）飞行器上锁；

（2）切换到抛飞模式；

（3）检查GPS是否定位；

（4）解锁飞行器，飞行器蜂鸣时处于待命状态，电机默认情况下不旋转；

（5）将飞行器抛出（爬升速度达到0.5m/s，速度达到5m/s）；

（6）飞行器停止时，切换到其他模式重新获得控制权；

电机将在飞行器达到顶点时启动，电机启动后会首先稳住机身（保持水平和停止旋转），然后停止掉高，最红水平方向也停止移动。

17.2 设置

• THROW_TYPE：0表示往上扔飞行器，1表示往下扔，如果是往下扔，高度至少10m；
• THROW_MOT_START：控制电机在待机时是不转还是缓慢旋转（0不转、1缓慢旋转），默认为0；
• THROW_NEXTMODE：设置飞行器停止后的下一个飞行模式（Auto、Guided、RTL、Land和Brake模式均支持），设置为Throw（默认）便保持在该模式等待手动切换到其他模式。

17.3 日志分析

下图为成功抛飞的日志，垂直速度大于0.5m/s，总速度大于5m/s。