目前，四旋翼無人機在農(nóng)業(yè)植保、物流配送、競技飛行及科研實驗等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。許多公司、科研機構(gòu)與無人機愛好者都會開發(fā)自己的飛控平臺，在眾多開源飛控平臺中，PX4以其完善的功能、優(yōu)異的性能以及友好的生態(tài)脫穎而出。

不僅是科研機構(gòu)大量使用PX4，許多公司也會基于PX4進行改進完善，實現(xiàn)工業(yè)級的需求。因此，能夠基于PX4進行二次開發(fā)對于學習和工作都有著重要的價值和意義。飛控平臺是一個復(fù)雜的軟硬件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)大致可以分為嵌入式、導(dǎo)航與控制三大部分，每一部分都需要專業(yè)的知識和經(jīng)驗。本課程針對控制這一大模塊，分三步走，旨在讓學員能夠?qū)W懂PX4的控制器系統(tǒng)并具備二次開發(fā)的能力。

飛控學習三步走

第一步，飛起來

擁有配套的無人機平臺，支持PX4代碼，通過選擇合適的硬件系統(tǒng)，該無人機具備良好的飛行性能。該無人機搭配光流與GPS等模塊，支持室內(nèi)室外飛行。課程將介紹組裝、傳感器與遙控器校準、參數(shù)調(diào)試、代碼下載及實際飛行測試等基本內(nèi)容，讓學員在最短的時間內(nèi)完成整機飛行測試。對于初接觸飛控的小白，如果自行摸索，這個過程可能要花費數(shù)月時間，而且內(nèi)容零散難以形成完整的知識體系，實驗測試甚至有炸機風險。

第二步，讀代碼

這個過程是向PX4學習的過程。PX4有著完善的功能，但這也意味著有復(fù)雜的代碼。初次閱讀可能無從下手，找不到重點。

控制模塊可以分為控制邏輯和控制算法兩大部分，邏輯用于處理各種輸入輸出的選擇、切換等，算法是輸入輸出具體關(guān)系的數(shù)學表示。

PX4使用的控制算法是基于四元數(shù)的PID，但是相比于傳統(tǒng)的單級PID要復(fù)雜很多，一是因為多個PID串聯(lián)，二是因為是改進的PID，例如微分項不對期望進行微分且加入濾波，又如使用了飽和積分算法。

如果缺乏控制算法的知識是很難理解代碼內(nèi)容的。除了上述的控制算法，控制邏輯也至關(guān)重要。課程還會講解PX4中各種模式的切換、一鍵起飛、一鍵降落等過程。為了實現(xiàn)一個良好的飛行效果與用戶體驗，這些模塊都值得專門地研究。

PX4速度控制框圖

第三步，改代碼

盡管PX4已經(jīng)很強大，但也不能說完美無缺，而且不可能完全滿足需求。課程將以兩個典型例子展開，幫助學員實現(xiàn)改代碼的能力。

第一個例子是在科研領(lǐng)域熱門的SO(3)控制。

PX4雖然使用了四元數(shù)作為姿態(tài)控制，但是其中涉及歐拉角的計算，并不能完全避免歐拉角奇異值的問題?；赟O(3)的控制器能夠完美地避免歐拉角的缺陷，實現(xiàn)任意姿態(tài)的飛行控制，而且基于SO(3)的姿態(tài)控制能夠方便地與軌跡規(guī)劃結(jié)合。

第二個例子是自抗擾控制器(ADRC)，和PID一樣，該控制算法在工業(yè)界得到廣泛的應(yīng)用和驗證。

通過加入觀測器，ADRC實現(xiàn)更魯棒的控制，抗擾動能力更強。通過學習這個例子，學員不僅能夠?qū)W會這兩個控制器算法，而且能夠?qū)崿F(xiàn)算法與邏輯的對接，實現(xiàn)自定義數(shù)據(jù)格式與日志記錄，為日后的創(chuàng)新打下堅實的基礎(chǔ)。

審核編輯：黃飛