>>半自主控制模式设计实验1

本文主要介绍多旋翼飞行器的半自主控制。通常，根据自驾仪自主控制的程度，把处于半自主控制下的多旋翼分为三种模态：自稳定模态、高度保持模态、定点模态。

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实验原理

在半自主控制下，自驾仪能够实现多旋翼飞行器的姿态稳定或悬停，飞控手通过遥控器手动地实现位置控制。这种控制方式下，地面站不是必需的。因此，多旋翼的控制量由两部分叠加起来，一部分是遥控器输出的控制量，另一部分是自驾仪中的自动控制器输出的控制量。事实上，半自主控制由遥控和自动控制组成，处于半自主控制下的多旋翼要么受遥控器控制，要么受自动控制器控制。通常，根据自动控制器实现的功能层次，半自主控制分为三种模式：自稳模式、定高模式和定点模式。

1.自稳模式

自稳模式允许飞控手利用遥控器手动控制多旋翼，遥控器摇杆功能和死区，所示。在该模式下，飞行器能够自动平衡滚转/俯仰轴，以保持多旋翼的姿态稳定。在遥控器控制下，飞控手利用遥控器的滚转/俯仰摇杆控制多旋翼飞往期望方向。当飞控手释放滚转/俯仰摇杆时，多旋翼的控制将自动地由自动控制器接管，可以稳定地控制多旋翼的姿态，但位置仍然会漂移。在此过程中，飞控手需要不断地向多旋翼发送滚转、俯仰和油门指令，以保持定点悬停，因为多旋翼会受风的干扰而偏离位置。油门指令可以控制多旋翼的平均电机转速，使多旋翼保持在当前高度。如果飞控手把油门控制摇杆推到最低位置，那么电机将以最低转速转动，此时如果多旋翼在飞行，多旋翼将失控并坠机。此外，当飞控手释放偏航摇杆时，多旋翼将保持在当前机头指向。

2. 定高模式

在定高模式下，当允许正常控制滚转、俯仰和偏航轴时，多旋翼能够保持高度稳定。当油门摇杆在中间附近(40%~60%)时，多旋翼的控制将由自动控制器接管，自动给定油门指令使多旋翼能够保持当前的高度，但是水平位置仍然会漂移。自动控制器不仅能控制高度，也能控制姿态。飞控手需要不断地向多旋翼发送滚转和俯仰指令使多旋翼定点悬停。一旦油门摇杆偏离中间位置（如低于40%或高于60%），多旋翼的控制将由遥控器接管，此时多旋翼爬升或下降取决于油门控制摇杆的偏向。当油门控制摇杆推到最低位置时，多旋翼以最大容许速度下降；当油门控制摇杆位于最高位置时，多旋翼将以最大容许速度爬升。在定高模式下，自驾仪需要搭载高度测量传感器，如气压计或超声波测距模块。

3.定点模式

定点模式能够保持多旋翼的姿态、位置和机头指向稳定。当飞控手释放滚转/俯仰和偏航摇杆，并将油门摇杆推到中间死区位置时，多旋翼的控制将由自动控制器接管，并能保持当前水平位置、机头指向和高度。精确的GPS位置信息和偏航角信息及机身低振动对实现良好的定点悬停非常重要。飞控手可以推动控制摇杆使遥控器接管多旋翼的控制，从而控制多旋翼的位置。飞控手可以推动滚转/俯仰摇杆控制水平位置。释放摇杆后，多旋翼会减速而停止。飞控手可以像定高模式一样推动油门摇杆以控制高度，也可以推动偏航控制摇杆以控制航向。在定点模式下，自驾仪除了需要高度测量传感器，还需要搭载位置传感器，如GPS接收机或视觉定位摄像机。根据上述分析可知，在半自主控制方式下，多旋翼总是在遥控和自动控制之间自动地切换。注意，遥控的优先级高于自主控制这意味着如果激活遥控模式，自动控制器与多旋翼的连接将断开。只有当某个（某些）摇杆位于中间位置附近时，对应通道的自动控制器才会接管多旋翼的控制。

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遥控

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自动控制

1.自稳模式

2.定高模式

3.定点模式

4.遥控与自动控制间的切换逻辑

参考文献：

[1] 全权,杜光勋,赵峙尧,戴训华,任锦瑞,邓恒译.多旋翼飞行器设计与控制[M],电子工业出版社,2018.

[2] 全权,戴训华,王帅.多旋翼飞行器设计与控制实践[M],电子工业出版社,2020.