飞控简析-从入门到跑路 第一章PX4的姿态控制(1)

1.什么是姿态

一个无人机,或者说一个物体,在空间上总是有6个自由度,分别对应XYZ轴的移动以及转动。简单的说,就是前后方向的移动,左右方向的移动,上下方向的移动,共3个自由度,这是位置。还有3个自由度就是绕XYZ轴的转动,这就是姿态,绕不同的轴转动的叫法不一样。分为俯仰(pitch)、横滚(roll,玩直升机和固定翼的会把横滚叫做副翼)、航向(yaw)。

这三个角度合起来可以表示一架无人机在空间上转动的情况,它们合起来就被称之为欧拉角。欧拉角是姿态最直观的一种表示方法,除了用欧拉角表示姿态,还可以用四元数,旋转矩阵来表示,但是这些方法都不够直观。欧拉角有规定的一套参考坐标系,正常都是右手坐标系。右手坐标系是伸出右手,拇指与食指成90°,然后中指垂直于拇指与食指构成的平面,这就构成了一个空间直角坐标系。相对应的,拇指表示X轴,食指表示Y轴,中指表示Z轴。一般X轴与无人机的机头方向一致,Z轴固定为竖直朝下,Y轴的位置可以通过XZ轴来判断。这个坐标系被称为机体坐标系。

无人机的坐标轴会随着飞机的转动而转动,为了表示无人机的坐标轴转动的情况,我们需要一个静止的坐标系,所以我们在大地上用右手构建一个空间直角坐标系,这个坐标系被称为大地坐标系。一般常用的大地坐标系有两种,一种被成为北东天坐标系,即X轴指向正北,Z轴朝下,它又被称为NED坐标系(North-East-Down)。这种坐标系是写飞控最最最常用的一种坐标系,但是Z轴朝下很让人不爽,所以还有一种东北天坐标系。即X轴指向正东,Z轴朝上,它又被称为ENU坐标系,这种属于自己爽的坐标系。

对于一架无人机,俯仰指的是绕机体坐标系Y轴的旋转,横滚指的是绕X轴的旋转,航向指的是绕Z轴的旋转。俯仰,横滚,航向的正方向可右手来判断。用我们的右手握住坐标轴,大拇指指向该轴的正方向,四个手指的指向的就是该旋转的正方向。对应的是,俯仰是抬头为正,横滚右滚为正,航向顺时针旋转为正。

对于多轴无人机来说,飞机的模式一般分为几种,手动模式(只控制角速度),姿态模式(控制无人机的姿态),定点模式(控制无人机的位置)。姿态模式是最常用的一种飞行模式。控制无人机的姿态,实际就是控制无人机的姿态角。控制的算法有很多种,比如PID控制,鲁棒H无穷算法等。

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