多旋翼无人机PID调参教程 | PX4

一、概述

本教程针对应用广泛的串级PID控制器（外环控制姿态角、内环控制姿态角速率，遵循时标分离假设，即内环响应远快于外环），聚焦多旋翼飞机（垂起飞行器旋翼部分），以PX4固件为例讲解调参方法，为用户提供参考。

固定翼、直升机、多旋翼的调参逻辑类似，但参数敏感性差异显著——直升机对参数极度敏感，固定翼参数适应范围广、最易调试，多旋翼介于两者之间。

本教程整理于网络，参考来源如下，感谢作者分享！
参考文献一：http://www.360doc.com/content/22/0206/22/70238708_1016223765.shtml
参考文献二：https://www.bookstack.cn/read/TranslationPx4/3_Tutorial-multicopter-PID-tuning.md

PID控制逻辑

PX4通过multirotor_att_control应用程序实现姿态控制，核心分为内外环结构：

• 外环（姿态角控制）：通过比例控制（P参数）输出期望机体角速度，修正姿态角偏差（例如：存在30度横滚角偏移时，将输出对应角速度指令补偿）；
• 内环（姿态角速率控制）：通过独立PID控制器调节电机输出，使飞行器精准跟踪外环指令的角速度，抵消外界扰动。

机型差异与安全提示

1. 机型参数敏感性：直升机对参数极度敏感，固定翼参数适应范围广、最易调试，多旋翼介于两者之间；
2. 安全准则：
   • 调参时禁止使用碳纤维桨、增强型碳纤维桨或损坏的桨叶；
   • 默认增益参数偏小，需逐步增大，避免因参数突变导致炸机；
   • 增益过大（即使仅为最优值的1.5-2倍）可能引发危险振荡，需谨慎调整。

调参准备

1. 完成电调校准，确保电机响应正常；
2. 验证PWM_MIN参数：
   • 不装桨叶上电，将油门打到最低位置；
   • 沿俯仰、滚转、偏航三个方向各晃动45度（角度可按最大姿态角调整）；
   • 确认无电机停转，避免极端姿态时力/力矩失衡；
3. 开启SDLOG_PROFILE参数的high rate选项，便于后续通过Flight Review或QGroundControl分析数据；
4. 将MC_AIRMODE参数置0，电机饱和时优先保障姿态控制；
5. 初始化参数（避免发散风险）：
   • 所有MC_XXX_P（ROLL、PITCH、YAW）初始设为0；
   • 仅MC_ROLLRATE_P、MC_PITCHRATE_P设为0.02，其余MC_XXXRATE_P/I/D设为0；
   • MC_YAW_FF初始设为0.5；
   • 姿态相关参数可先统一减少20%，再按步骤调整。

分步调参方法

试飞全程使用Manual/Stablized模式，禁止Acro模式
参数调整需循序渐进，每次增加10%-30%（微调阶段可降至10%），每次调整后落地确认设置，再试飞验证，避免一次性大幅修改。

第1步：稳定横滚/俯仰角速度（内环PID调试）

1. P增益（MC_ROLLRATE_P/MC_PITCHRATE_P）调节

• 操作：油门推至50%使飞机接近失重状态，打杆倾斜飞机（横滚/俯仰方向），观察响应；
• 标准：飞机应温和对抗倾斜运动（不试图回水平），无振荡；
• 调整逻辑：响应过慢则每次增加10%-20%，直至出现轻微振荡，再降低10%左右；最终典型值约0.1。

2. D增益（MC_ROLLRATE_D/MC_PITCHRATE_D）调节

• 前提：P增益已调至接近最优（轻微振荡状态）；
• 操作：从0.01开始逐步增加D增益，观察飞机是否消除振荡；
• 标准：无振荡、无电机颤抖；
• 调整逻辑：电机颤抖说明D增益过大，需调低；典型值0.01-0.02。

3. I增益（MC_ROLLRATE_I/MC_PITCHRATE_I）调节

• 适用场景：角速度始终达不到设定值、存在漂移时；
• 操作：从对应P增益的5%-10%开始逐步增加；
• 标准：消除静差，无额外振荡。

第2步：稳定横滚/俯仰角（外环P参数调试）

1. P增益（MC_ROLL_P/MC_PITCH_P）调节

• 操作：推油门使飞机悬停，倾斜飞机（横滚/俯仰方向），观察是否缓慢回水平；
• 标准：姿态角超调量10%-20%，无振荡；
• 调整逻辑：出现振荡则调低，响应过慢则逐步增加，典型值约3.0；
• 验证：通过QGroundControl查看ATTITUDE.roll/pitch曲线，确保超调符合要求。

第3步：稳定偏航角速度（内环PID调试）

1. P增益（MC_YAWRATE_P）调节

• 操作：推油门使飞机悬停，转动飞机（偏航方向），观察电机声音变化及对抗效果；
• 标准：飞机温和对抗偏航转动，响应弱于横滚/俯仰为正常，无振荡、无剧烈抖动；
• 调整逻辑：振荡或抖动则调低，响应过强则继续减小；典型值0.2-0.3。

第4步：稳定偏航角（外环P参数+前馈调试）

1. P增益（MC_YAW_P）调节

• 操作：推油门使飞机悬停，转动飞机（偏航方向），观察是否缓慢回初始航向；
• 标准：偏航角超调量≤2%-5%，无振荡；
• 调整逻辑：振荡则调低，响应过慢则逐步增加；典型值2.0-3.0；
• 验证：通过QGroundControl查看ATTITUDE.yaw曲线。

2. 前馈（MC_YAW_FF）调节

• 作用：优化偏航响应速度，避免滞后或过快；
• 调整逻辑：有效范围0-1，典型值0.8-0.9（航拍需平滑响应可偏小）；
• 验证：通过QGroundControl查看偏航角曲线，确保超调符合要求。

第5步：前馈参数与辅助参数微调

1. 滚转/俯仰前馈（MC_ROLLRATE_FF/MC_PITCHRATE_FF）：姿态响应慢则增大，过于灵敏则降低，避免干扰角速率环控制；
2. 角度/角速率限幅参数：电机余量不足则限制偏小，电机能力充足可适当放宽；
3. THR_MDL_FAC参数是用来修正升力和PWM输出值的关系的，我们经常发现在悬停状态时飞机的姿态控制好好的，但是到了快速爬升和下降时，飞机就出现姿态不稳的现象，就是因为力和PWM的输出不是线性关系，所以会出现不同油门值的时候控制效果不一样，这个参数用于解决悬停时姿态稳定，但快速爬升 / 下降时姿态不稳的问题。

四、数据分析

可使用Flight Review或QGroundControl分析数据，核心关注角度/角速率跟踪情况及电机是否饱和。以下为不同控制效果的曲线参考（注：除第一张图外，其余均为大尺寸飞机曲线，响应速度慢于小尺寸飞机）：

Flight Review网站地址：https://logs.px4.io/

1. 角速率跟踪良好：曲线贴合期望指令

2. 角速率跟踪不良：曲线围绕期望指令振荡，需调整P/D增益

3. 姿态跟踪良好：角度曲线快速贴近期望指令

4. 姿态跟踪不良：角度曲线偏离期望指令，或超调量过大，需调整外环P增益

调参注意事项

1. 参数调整需循序渐进，避免一次性大幅修改；
2. 每次调整参数后，需落地确认设置，再进行试飞验证；
3. 反复调试、总结规律，逐步掌握调参技巧。

补充说明

1. 电机带限机制（Motor Band / Limiting）：PX4混控器会自动限制电机转速范围，若某电机超出安全范围，系统会降低总推力以保障姿态稳定（可能轻微掉高，但避免翻转）；
2. 进阶提示：PID控制在多数场景下已足够，PX4支持切换至MPC（模型预测控制），但需精确系统模型，适合高级用户尝试。

核心参数汇总表

参数类别	参数名称	核心功能	典型取值范围
外环姿态角控制（P参数）	MC_ROLL_P	滚转角比例控制，输出期望滚转角速率	3.0左右
外环姿态角控制（P参数）	MC_PITCH_P	俯仰角比例控制，输出期望俯仰角速率	3.0左右
外环姿态角控制（P参数）	MC_YAW_P	偏航角比例控制，输出期望偏航角速率	2.0-3.0
内环角速率控制（P参数）	MC_ROLLRATE_P	滚转角速率核心控制，影响灵敏度与误差响应速度	0.02（初始）→ 0.1（典型）
内环角速率控制（P参数）	MC_PITCHRATE_P	俯仰角速率核心控制，影响灵敏度与误差响应速度	0.02（初始）→ 0.1（典型）
内环角速率控制（P参数）	MC_YAWRATE_P	偏航角速率核心控制，对抗偏航转动扰动	0.1（初始）→ 0.2-0.3（典型）
内环角速率控制（I参数）	MC_ROLLRATE_I	消除滚转角速率跟踪静差，应对持续扰动	MC_ROLLRATE_P的5%-10%
内环角速率控制（I参数）	MC_PITCHRATE_I	消除俯仰角速率跟踪静差，应对持续扰动	MC_PITCHRATE_P的5%-10%
内环角速率控制（I参数）	MC_YAWRATE_I	消除偏航角速率跟踪静差，应对持续扰动	初始设为0，按需微调
内环角速率控制（D参数）	MC_ROLLRATE_D	抑制滚转角速率振荡与超调，与噪声相关	0.01-0.02
内环角速率控制（D参数）	MC_PITCHRATE_D	抑制俯仰角速率振荡与超调，与噪声相关	0.01-0.02
内环角速率控制（D参数）	MC_YAWRATE_D	抑制偏航角速率振荡与超调，与噪声相关	初始设为0，按需微调
前馈控制参数	MC_ROLLRATE_FF	滚转角速环输出直接反馈至电机，提升响应速度	按需调整（响应慢则增大，灵敏则降低）
前馈控制参数	MC_PITCHRATE_FF	俯仰角速环输出直接反馈至电机，提升响应速度	按需调整（响应慢则增大，灵敏则降低）
前馈控制参数	MC_YAW_FF	偏航速度控制器前馈比例，影响偏航响应灵敏度	0.5（初始）→ 0.8-0.9（典型），航拍可偏小
最大角速率限制	MC_ROLLRATE_MAX	限制最大滚转角速率	按电机性能调整
最大角速率限制	MC_PITCHRATE_MAX	限制最大俯仰角速率	按电机性能调整
最大角速率限制	MC_YAWRATE_MAX	限制最大偏航角速率	按电机性能调整
辅助参数	PWM_MIN	保证电机最低转速，避免极端姿态时停转	需验证（解锁后电机持续运转）
辅助参数	SDLOG_PROFILE	开启high rate选项，便于姿态控制效果分析	开启对应选项
辅助参数	MC_AIRMODE	电机饱和时优先保障姿态控制	置0
辅助参数	THR_MDL_FAC	修正升力与PWM输出的非线性关系	按需调整（解决爬升/下降时姿态不稳）