1、什么是控制分配?

對于多旋翼飛控，一般而言將整個控制回路進行分層設計，比如位置控制、速度控制、姿態(tài)控制等，而控制分配則負責將上層控制器得到的輸出(滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航的力矩)，映射到執(zhí)行機構(gòu)，即電機，進行轉(zhuǎn)速輸出。簡單來講，如下所示：

2、控制分配有什么好處?

Ø 單獨設計控制分配，可以將底層控制與上層控制進行分離，便于控制器的設計;

Ø 能夠防止電機輸出飽和，具體后面會講到;

Ø 能夠提升對故障或損傷的魯棒性，簡單來說，例如斷槳保護等功能的設計，這部分比較復雜，本文不會講到;

3、為什么要單獨講解控制分配?

控制分配在工程應用時很容易忽略到，相信設計過飛控軟件的人有所體會，這部分內(nèi)容不會特別關(guān)注，電機輸出就是簡單控制量的加減。這樣做也是可以的，能夠?qū)崿F(xiàn)功能，但是不夠好，細節(jié)部分需要進行優(yōu)化處理，筆者認為這部分既重要，又容易被忽視，當控制器性能不好時，一味的進行調(diào)參是解決不了問題的。

4、下面以工程代碼為例，一步步進行邏輯推演講解：

先看一組最簡單的

control_roll、control_pitch、control_yaw為姿態(tài)控制器所得的結(jié)果，分別代表三個軸向的控制量，這里和油門值直接進行混控，得到每個電機的輸出值。

看到這里，相信有些讀者對如何確定代碼中控制量的正負有疑問?

最粗暴的辦法就是：直接試湊，定個符號，然后看實際的電機反饋。當然，這個太low了，我們從理論推演下。

首先需要確定飛行器的機體坐標系，假設以滾轉(zhuǎn)控制量為例，我們認為滾轉(zhuǎn)角roll是左負右正，這樣的話，假設往右打桿，目標設定是正，反饋為0 ，產(chǎn)生的控制量為正，這時候2、3電機加上這個正向控制量，1、4減去這個正向控制量，即飛行器往右飛行。同理可得其他方向的符號。

注意下，偏航控制量的符號與電機的順時針逆時針有關(guān)。

這種簡單混控的問題?

首先是油門沒有限幅，假設遙控器油門通道輸出范圍在1000~2000，電機接收的范圍在1000~2000，如果飛行過程中油門推到最大，則所有的電機用來響應油門通道了，此時，不管你飛行器的姿態(tài)控制量分別是多少，都無法響應，這樣會導致飛行器不能保持姿態(tài)穩(wěn)定。

改進一

這里將油門通道的值進行比例縮放，電機最多響應70%油門，剩余的30%電機量用來響應姿態(tài)控制器的輸出，保證控制器的響應裕度。

如何加入飛行器的怠速?

改進二

如圖所示，只需在每個電機輸出上恒定加入一個轉(zhuǎn)速值，該值就是怠速，一般在行程的10%，如設0，則沒有怠速。另外，油門通道的比例也要做一個微調(diào)。

寫到這里，這是目前市面上很多開源飛控的控制分配寫法了，需要注意的是：

Ø 合理分配油門通道的響應，姿態(tài)控制輸出的裕度;

Ø 姿態(tài)控制器的輸出限幅，要定一個合理的范圍，過大過小都沒有意義;

這種控制分配有哪些問題?

首先，就是控制器的輸出限幅，這個很難確定一個合理范圍;

其次，油門最低時，如果執(zhí)行外八/內(nèi)八加鎖操作，飛行器易翻機，電機輸出用來最大響應yaw控制量，直觀現(xiàn)象就是對角的電機轉(zhuǎn)速差異很大，甚至有電機停轉(zhuǎn);

再者，極端情況下，比如三個軸向的控制量都很大，生成的電機輸出超過了最大值，比如得到2200，做不到優(yōu)先保證姿態(tài)控制量的響應;這種情況需要降油門或者縮放姿態(tài)控制量，保證輸出在范圍內(nèi)。

還有一些細節(jié)問題與其有關(guān)。

比如只打yaw桿，理論上飛行器應該繞軸旋轉(zhuǎn)，但實際很多都是畫圈飛行，當然這個主要問題在于姿態(tài)控制，但是也與控制分配有關(guān)，如果打桿速度很快，yaw產(chǎn)生的控制量很大，roll和pitch方向上沒有充分的裕度進行響應。

推廣到六軸或八軸，如其中一個電機不轉(zhuǎn)，能否平穩(wěn)飛行?

答案是這種控制分配方法更易出問題，簡答理解就是，有一個電機停轉(zhuǎn)，那分配到其他電機的轉(zhuǎn)速是增大的，這樣很容易電機飽和。當然，如果本身電機輸出沒到飽和狀態(tài)，也是可以繼續(xù)穩(wěn)定飛行的。

總結(jié)一下：

一個好的控制分配算法至少要能解決：

油門控制量過大過小時，能夠有充分的姿態(tài)控制裕度，這樣才能保證飛行穩(wěn)定;

簡單來說，要能夠根據(jù)電機輸出的大小，能夠進行油門量的增大減少，同時對姿態(tài)控制量進行縮放。

以pixhawk的控制分配算法mixer為例：

算法步驟：

先不考慮yaw控制量，只融合roll、pitch和油門。得到電機輸出的最大最小值。

插入一個知識點：

代碼里的_roll_scale變量，是根據(jù)飛行器的幾何構(gòu)型得到的，以四軸X字型為例

同理計算picth_scale和yaw_scale。

然后根據(jù)電機的最大最小輸出，計算姿態(tài)縮放值roll_pitch_scale和油門量的變化值boost。

油門和姿態(tài)進行混控后，加入yaw，再次進行計算。

如果加入yaw后，電機輸出飽和，對yaw進行縮放。

最后加入縮放后的yaw和怠速，得到最終的電機輸出。

這里就不對代碼進行公示推導了，掌握主要思路即可。