PX4 二维制导算法
时间: 2025-02-11 07:14:14 浏览: 39
### PX4 二维制导算法实现与解释
#### 算法概述
PX4 是一款广泛应用于无人机和其他自主飞行器的开源自动驾驶仪软件。对于二维制导功能,主要关注的是水平面内的导航控制,即 X 和 Y 方向上的运动控制[^1]。
#### 制导模块架构
在 PX4 中,二维制导逻辑通常由位置控制器 (Position Controller) 实现。该控制器负责接收来自任务规划系统的设定点(目标坐标),并计算所需的横向速度指令来引导车辆到达指定地点。具体来说:
- **输入**: 当前 GPS 坐标、高度以及期望的目标位置。
- **输出**: 发送给姿态控制器的速度命令,用于调整飞机的方向和前进速率。
#### 关键参数设置
为了简化三维空间中的复杂度,在处理地面机器人如 TurtleBot 或小型汽车时,仅需考虑偏航角(Yaw),而滚转(Roll)和俯仰(Pitch)角度被固定为零[^2]。这意味着整个控制系统可以专注于平面内旋转和平移操作。
#### 控制律设计
针对二维环境下的路径跟踪问题,常用的策略之一是基于线性二次型调节器(LQR)的方法来进行最优轨迹追踪。通过定义状态变量包括当前位置偏差及其变化率,并构建相应的代价函数,从而求解得到使总成本最小化的反馈增益矩阵K。最终形成如下形式的状态方程:
\[ \dot{x} = Ax + Bu \]
其中 \( A \),\( B \够表示系统动态特性;u 表示控制量;x 代表状态矢量。
```cpp
// C++ code snippet showing part of the position controller implementation within PX4 firmware.
void PositionController::updateSetpoints(float dt)
{
Vector2f pos_error(_pos_sp - _pos);
float bearing_to_target = atan2(pos_error(1), pos_error(0));
float heading_error = wrap_pi(bearing_to_target - _yaw);
// Compute desired velocity based on proportional control law with saturation limits applied.
Vector2f vel_cmd;
vel_cmd(0) = math_constrain(fmaxf(fabs(heading_error)*_kp_heading, fabs(pos_error.norm())*_kp_pos), MIN_VEL_CMD, MAX_VEL_CMD) * cos(heading_error);
vel_cmd(1) = math_constrain(fmaxf(fabs(heading_error)*_kp_heading, fabs(pos_error.norm())*_kp_pos), MIN_VEL_CMD, MAX_VEL_CMD) * sin(heading_error);
// Pass computed velocities along to attitude controllers...
}
```
此代码片段展示了如何根据当前误差计算出所需的速度指令,并将其传递给下层的姿态控制器执行实际转向动作。
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