【硬件-笔试面试题-103】硬件/电子工程师，笔试面试题（知识点：项目当中无人机的控制是怎么实现的）
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【硬件-笔试面试题-103】硬件/电子工程师，笔试面试题（知识点：项目当中无人机的控制是怎么实现的）
1、题目
项目当中无人机的控制是怎么实现的
2、知识点
PX4 飞控是一款开源的无人机飞控系统，其控制逻辑基于多环嵌套控制架构，通过传感器感知、数据融合、控制算法解算和执行器驱动，实现无人机的稳定飞行与任务执行。以下是其控制流程和核心机制的详细说明：
一、核心控制架构：分层嵌套控制
PX4 采用 **“位置环→速度环→姿态环→角速度环→电机输出”** 的多层级嵌套控制结构，从外环到内环响应速度逐渐加快，形成闭环反馈机制：
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最外环：位置环
- 目标：控制无人机在三维空间（x/y/z 轴）的位置，跟踪期望坐标（如 GPS 航点、遥控器指令）。
- 输入：期望位置（来自任务规划器或遥控器）、实际位置（融合 GPS、视觉 SLAM、气压计等数据）。
- 输出：计算位置偏差后，生成对应的期望速度指令，传递给速度环。
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次外环：速度环
- 目标：控制无人机的飞行速度，跟踪位置环输出的速度指令。
- 输入：期望速度、实际速度（通过位置微分或光流、GPS 测速获得）。
- 输出：根据速度偏差，生成期望的姿态角（横滚角、俯仰角）和垂直方向的推力指令，传递给姿态环。
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中层：姿态环
- 目标：控制无人机的姿态（横滚角、俯仰角、偏航角），跟踪速度环输出的姿态指令。
- 输入：期望姿态角、实际姿态角（通过 IMU（加速度计 + 陀螺仪）与磁力计融合解算）。
- 输出：计算姿态偏差后，生成期望的角速度指令，传递给角速度环。
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最内环：角速度环
- 目标：控制无人机的旋转角速度，快速响应姿态环的指令，抑制外界干扰（如阵风）。
- 输入：期望角速度、实际角速度（直接来自陀螺仪测量）。
- 输出：通过 PID 控制器计算出每个电机的期望力矩，最终转换为电机的 PWM 输出信号，驱动无刷电机转动。
二、传感器数据融合：状态估计的核心
PX4 需要实时获取无人机的位置、速度、姿态、角速度等状态，依赖多传感器融合算法（主要是 EKF/UKF 扩展卡尔曼滤波）：
- 惯性测量单元（IMU）：包含三轴加速度计和陀螺仪，是核心传感器，提供高频（通常 200-1000Hz）的加速度和角速度数据，用于实时姿态解算，但存在漂移问题。
- 磁力计：校正 IMU 的偏航角漂移，提供绝对航向参考（类似指南针）。
- GPS / 北斗：提供室外环境下的绝对位置（经纬度）和速度信息，但室内或遮挡环境下精度下降。
- 气压计：测量大气压力，转换为相对高度（垂直方向位置）。
- 视觉传感器：如摄像头 + 光流模块、深度相机、SLAM 系统，用于室内或无 GPS 环境下的位置和速度估计，补充 GPS 的不足。
通过 EKF 算法，PX4 将上述传感器数据进行时间同步和权重融合，过滤噪声并修正漂移，最终输出高精度的无人机状态估计结果，为控制环提供输入。
三、控制算法：PID 为主，自适应优化
PX4 的各控制环主要采用PID 控制算法，并针对无人机特性进行优化：
- 比例（P）项：快速响应偏差（如位置偏差、速度偏差），决定系统的响应速度。
- 积分（I）项：消除静态误差（如长期悬停时的位置漂移）。
- 微分（D）项：抑制超调和振荡，提高稳定性（如阵风干扰时的快速修正）。
此外，PX4 还针对不同机型（多旋翼、固定翼、垂起固定翼等）和飞行模式，优化了 PID 参数和控制逻辑：
- 例如多旋翼的悬停模式，位置环和速度环的 PID 参数更注重稳定性；
- 高速飞行模式（如固定翼的巡航），则会弱化位置环，强化姿态和角速度的快速响应。
四、执行器驱动：从控制指令到电机动作
PX4 的控制指令最终需要转换为电机的输出：
- 电机混控：对于多旋翼（如四旋翼、六旋翼），PX4 通过 “混控矩阵” 将角速度环输出的期望力矩（横滚、俯仰、偏航）和垂直推力，分配到每个电机。例如四旋翼的四个电机通过转速差产生横滚 / 俯仰力矩，通过对角电机的转速差产生偏航力矩。
- 电调通信：PX4 通过 PWM 信号或 CAN 总线与电调通信，将电机转速指令（通常是 0-1000us 的 PWM 信号）发送给电调，电调再驱动无刷电机按照目标转速转动。
- 故障保护：若某一电机或电调故障，PX4 的冗余控制逻辑会重新分配其他电机的输出，尽可能维持飞行稳定（适用于多旋翼冗余设计机型）。
五、飞行模式：适配不同场景的控制逻辑
PX4 通过预设的飞行模式，调整控制环的目标和参数，满足不同任务需求：
- 手动模式：遥控器直接控制角速度环（如摇杆量对应期望角速度），适合手动操控。
- 定高模式：位置环的 z 轴（高度）闭环，x/y 轴手动控制，适合悬停作业。
- 定点模式：x/y/z 轴全位置闭环，无人机自动保持在目标点，适合精准悬停或简单航点飞行。
- 任务模式：通过地面站规划航点，PX4 自动按照路径飞行，位置环跟踪航点坐标，适用于测绘、巡检等任务。
总结
PX4 飞控的控制逻辑是 **“传感器感知→状态估计→多层级闭环控制→执行器驱动”** 的完整流程：通过多传感器融合获得精确状态，利用嵌套 PID 控制环从位置到角速度逐层分解控制目标，最终通过电机混控实现稳定飞行。其开源特性允许开发者根据需求（如室内导航、自主避障）扩展传感器接口或优化控制算法，适应复杂场景。
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