APM飞控简介

APM飞控系统是国外的一个开源飞控系统，能够支持固定翼，直升机，3轴，4轴，6轴飞行器。在此我只介绍固定翼飞控系统。APM飞控系统主要结构和功能飞控主芯片Atmega1280/2560主控芯片PPM解码芯片Atmega168/328负责监视模式通道的pwm信号监测，以便在手动模式和其他模式之间进行切换。提高系统安全惯性测量单元双轴陀螺，单轴陀螺，三轴加速度计测量三轴角速度，三轴加速度，配合三轴磁力计或gps测得方向数据进行校正，实现方向余弦算法，计算出飞机姿态。GPS导航模块Lea-5h或其他信号gps模块测量飞机当前的经纬度，高度，航迹方向（track），地速等信息。三轴磁力计模块HMC5843/5883模块测量飞机当前的航向（heading）空速计MPXV7002模块测量飞机空速（误差较大，而且测得数据不稳定，会导致油门一阵一阵变化）空压计BMP085芯片测量空气压力，用以换算成高度AD芯片ADS7844芯片将三轴陀螺仪、三轴加速度计、双轴陀螺仪输出温度、空速计输出的模拟电压转换成数字量，以供后续计算其他模块电源芯片，usb电平转换芯片等飞控原理在APM飞控系统中，采用的是两级PID控制方式，第一级是导航级，第二级是控制级，导航级的计算集中在medium_loop()和fastloop()的update_current_flight_mode()函数中，控制级集中在fastloop()的stabilize()函数中。导航级PID控制就是要解决飞机如何以预定空速飞行在预定高度的问题，以及如何转弯飞往目标问题，通过算法给出飞机需要的俯仰角、油门和横滚角，然后交给控制级进行控制解算。控制级的任务就是依据需要的俯仰角、油门、横滚角，结合飞机当前的姿态解算出合适的舵机控制量，使飞机保持预定的俯仰角，横滚角和方向角。最后通过舵机控制级set_servos_4()将控制量转换成具体的pwm信号量输出给舵机。值得一提的是，油门的控制量是在导航级确定的。控制级中不对油门控制量进行解算，而直接交给舵机控制级。而对于方向舵的控制，导航级并不给出方向舵量的解算，而是由控制级直接解算方向舵控制量，然后再交给舵机控制级。以下，我剔除了APM飞控系统的细枝末节，仅仅将飞控系统的重要语句展现，只浅显易懂地说明APM飞控系统的核心工作原理。一，如何让飞机保持预定高度和空速飞行要想让飞机在预定高度飞行，飞控必须控制好飞机的升降舵和油门，因此，首先介绍固定翼升降舵和油门的控制，固定翼的升降舵和油门控制方式主要有两种：一种是高度控制油门，空速控制升降舵方式。实际飞行存在四种情况，第一种情况是飞机飞行过程中，如果高度低于目标高度，飞控就会控制油门加大，从而导致空速加大，然后才导致拉升降舵，飞机爬升；第二种情况与第一种情况相反；第三种情况是飞机在目标高度，但是空速高于目标空速，这种情况飞控会直接拉升降舵，使飞机爬升，降低空速，但是，高度增加了，飞控又会减小油门，导致空速降低，空速低于目标空速后，飞控推升降舵，导致飞机降低高度。这种控制方式的好处是，飞机始终以空速为第一因素来进行控制，因此保证了飞行的安全，特别是当发动机熄火等异常情况发生时，使飞机能继续保持安全，直到高度降低到地面。这种方式的缺点在于对高度的控制是间接控制，因此高度控制可能会有一定的滞后或者波动。另一种是高度控制升降舵，空速控制油门的方式。这种控制方式的原理是设定好飞机平飞时的迎角，当飞行高度高于或低于目标高度时，在平飞迎角的基础上根据高度与目标高度的差设定一个经过PID控制器输出的限制幅度的爬升角，由飞机当前的俯仰角和爬升角的偏差来控制升降舵面，使飞机迅速达到这个爬升角，而尽快完成高度偏差的消除。但飞机的高度升高或降低后，必然造成空速的变化，因此采用油门来控制飞机的空速，即当空速低于目标空速后，在当前油门的基础上增加油门，当前空速高于目标空速后，在当前油门的基础上减小油门。这种控制方式的好处是能对高度的变化进行第一时间的反应，因此高度控制较好，缺点是当油门失效时，比如发动机熄火发生时，由于高度降低飞控将使飞机保持经过限幅的最大仰角，最终由于动力的缺乏导致失速。但是以上仅仅是控制理论。在实际控制系统中，由于有些参量并不能较准确地测得，或者测量时数据不稳定，所以并不能完全按照上述的控制理论控制。例如空速的测量时相当不准确的，而且数据波动较严重，这样，就无法完全按照上述理论进行控制，必须在其基础上进行适当修改。以下以使用空速计情况和不使用空速计情况对APM飞控系统进行阐述。（1），使用空速计情况在使用空速计的情况下，升降舵是由空速控制。update_current_flight_mode()调用calc_nav_pitch()调用nav_pitch=-g.pidNavPitchAirspeed.get_pid(airspeed_error,dTnav)。nav_pitch就是导航俯仰角，也就是说，使用空速计时，APM系统对利用空速偏差airspeed_error作为输入量进行导航级的俯仰角控制。在使用空速计的情况下，油门是由飞机机械能偏差控制，也就是空速误差和高度误差共同决定。update_current_flight_mode()调用calc_throttle()调用g.channel_throttle.servo_out=g.throttle_cruise+g.pidTeThrottle.get_pid(energy_error,dTnav);g.channel_throttle.servo_out+=(g.channel_pitch.servo_out*g.kff_pitch_to_throttle);式中energy_error=airspeed_energy_error+(float)altitude_error*0.098f，是空速动能偏差，加上飞机重力势能偏差。可以看出，油门是由设定的巡航油门g.throttle_cruise、机械能偏差PID调节量和升降舵通道补偿共同决定，但是巡航油门是设定值，是固定的。g.kff_pitch_to_throttle默认是0，所以，实际上油门的增减是由机械能偏差控制的。所以，使用空速计时，APM飞控系统的油门升降舵控制属于空速控制升降，机械能控制油门方案，类似于第一种控制方案，但是又有点区别。（2），不使用空速计情况不使用空速计时，升降舵是由高度偏差控制。update_current_flight_mode()中调用calc_nav_pitch()调用nav_pitch=g.pidNavPitchAltitude.get_pid(altitude_error,dTnav)。所以升降舵的控制，是由高度误差altitude_error作为PID调节的输入量。不使用空速计时，油门是由导航俯仰角控制。update_current_flight_mode()调用calc_throttle()调用if(nav_pitch=0){g.channel_throttle.servo_out=throttle_target+(g.throttle_max-throttle_target)*nav_pitch/g.pitch_limit_max;}else{g.channel_throttle.servo_out=throttle_target-(throttle_target-g.throttle_min)*nav_pitch/g.pitch_limit_min;}可以看出此时的油门控制是利用的是比例调节，依据的比例关系是=。二，如何让飞机飞往目标要使飞机飞往目标，那就必须知道飞机当前位置、目标位置和当前航向等问题。在APM飞控系统中，GPS模块能够提供飞机当前经纬度信息，航迹方向和地速信息。根据这些信息，再用程序解算飞机当前位置和目标位置的关系，就能知道目标航向角target_bearing，知道了目标航向角target_bearing后就可以用于引导飞机飞向目标。但是仅用目标航向角进行导航，不能压航线飞行，为了解决这个问题，APM飞控系统中又增加了偏航距crosstrack_error的计算，并且根据偏航距，计算出需要的偏航修正量crosstrack_error*g.crosstrack_gain。使飞机能尽快飞到航线上。最后把目标航向角和偏航修正量组成导航航向角nav_bearing，提供给控制级PID。所以目标航向角的计算和偏航修正量的计算是构成如何让飞机飞往目标的核心。下面具体介绍APM中关于这部分的程序。APM飞控系统中的GPS信息只能每秒更新4-10次。所以，计算目标航向角和偏航修正量的程序都在每秒大约执行10次的medium_loop()中。在medium_loop()的case1中会执行navigate()，正是在这个函数中，执行了导航航向角nav_bearing的计算。首先计算的是目标航向角。在navigate()中有：target_bearing=get_bearing(¤t_loc,&next_WP);nav_bearing=target_bearing;第一个语句中current_loc和next_WP是结构体，里面存储这一个位置点的经度、纬度、高度信息，current_lot中存储的是当前点，next_WP中存储的是目标点。根据这个进行在球体表面的三角函数计算（此文中，由于篇幅所限，很多东西不进行详细讲解），就可以得出目标航向target_bearing。接下来，要计算偏航修正量。navigate()调用update_navigation()调用verify_commands()调用verify_nav_wp()调用update_crosstrack()，这个函数中有：crosstrack_error=sin(radians((target_bearing-crosstrack_bearing)/100))*wp_distance;nav_bearing+=constrain(crosstrack_error*g.crosstrack_gain,-g.crosstrack_entry_angle.get(),g.crosstrack_entry_angle.get());第一句是计算偏航距的，偏航距是飞机当前位置点到航线的距离，事实上就是求一个点到一条线之间的距离。wp_distance是这个直角三角形的斜边，target_bearing-crosstrack_bearing正是偏航距对应的边相对的那个锐角。第二句中crosstrack_error*g.crosstrack_gain使用偏航距乘以偏航修正增益就得出需要的偏航距修正量，然后使用constrain()函数将偏航距修正量限制在-g.crosstrack_entry_angle.get()与g.crosstrack_entry_angle.get()之间。g.crosstrack_entry_angle.get()其实就是最大的偏航距修正量。在上一段中target_bearing计算时已经有nav_bearing=target_bearing。现在又nav_bearing+=constrain(crosstrack_error*g.crosstrack_gain,-g.crosstrack_entry_angle.get(),g.crosstrack_entry_angle.get())，这样其实就把目标航向角和偏航距修正都加到了nav_bearing中。如何让飞机按照导航级控制信息飞行在导航级，我们已经解算出了让飞机保持高度和空速飞行所需要的俯仰角和油门，以及按航线飞向目标所需要的导航航向。这就解决了如何引导飞机进行飞行的问题。也就是说，飞控已经知道该怎么让飞机飞行了，现在就要解决飞控如何具体控制飞机的问题，也就是说如何控制各个舵机或者油门。油门的控制油门的控制，前面已经提到，其实油门的控制量是在导航级完成的。并不传给控制级程序解算，直接就交给舵机控制级去控制舵机。升