2. 飞控系统基础

在进入参数校准与验证之前，必须先建立对飞控系统的整体认识。飞控系统并不是单一控制器，而是由感知、计算、执行、能源与通信等环节构成的闭环系统。参数校准的对象，正是这个闭环中每个环节的模型误差与测量偏差。理解系统组成与信号流向，才能判断“该校准什么、为什么校准、校准后如何验证”。

一、飞控系统组成与信号闭环

典型多旋翼飞控系统可划分为五个层次：感知层（IMU、磁力计、气压计、GPS、视觉/激光测距）、估计层（姿态解算、位置速度估计、卡尔曼滤波）、控制层（姿态环、速度环、位置环串级PID）、执行层（电调、电机、舵机）、能源与通信层（电池、BEC、数传、遥控链路）。

其核心信号流为：传感器输出原始数据 → 估计器融合出姿态/位置状态 → 控制器根据期望与反馈计算控制量 → 混控器分配到各执行机构 → 电机/舵机产生力矩与推力 → 机体运动改变 → 传感器再次测量，形成闭环。参数校准贯穿其中：传感器标定修正感知偏差，模型参数辨识修正动力学描述，控制参数整定修正闭环响应。

二、传感器与执行机构：校准的两端

传感器是飞控的“输入基准”，执行机构是飞控的“输出手段”。两者都存在系统性偏差，必须分别校准。

• IMU（加速度计+陀螺仪）：主要误差为零偏、尺度因子、非正交误差与温漂。加速度计校准常用六面法，陀螺仪需静置零偏标定。
• 磁力计：易受硬磁与软磁干扰，需做椭球拟合校准，并注意安装角与机体坐标对齐。
• 气压计：受温度与气流影响，需做零点漂移补偿与温度补偿。
• GPS/视觉：存在安装杆臂与延迟，需标定外参和时间同步。
• 电调与电机：PWM行程、死区、最大最小油门、推力曲线需标定，否则混控输出与实际推力不成比例。
• 舵机：中位、行程、方向、延迟需标定，固定翼尤其关键。

三、坐标系定义：一切建模与校准的基准

飞控中常用坐标系包括：机体坐标系（Body）、导航坐标系（NED/ENU）、传感器坐标系、世界坐标系。机体坐标系通常定义为：X轴指向机头，Y轴指向右侧，Z轴指向下方（前右下）。导航坐标系常用北东地（NED）。

姿态角（滚转φ、俯仰θ、偏航ψ）描述机体相对导航系的旋转关系。传感器安装角、电机位置、力臂方向都必须在统一坐标系下表达。校准中常见的“方向反了”“偏航漂移”“姿态解算发散”，多数源于坐标系定义不一致或旋转顺序错误。

四、动力学建模概述：参数校准的数学对象

多旋翼刚体动力学可简化为平动与转动两部分。平动由合力决定，转动由合力矩决定。以机体坐标系为例，简化模型如下：

平动：m * dv/dt = R * T + G + D
转动：J * dω/dt + ω × (Jω) = τ

其中：
m   ：机体质量
J   ：转动惯量矩阵
R   ：机体到导航系的旋转矩阵
T   ：各电机推力合成的总推力
G   ：重力向量
D   ：气动阻力
τ   ：各电机推力差与反扭矩形成的合力矩
ω   ：机体角速度

参数校准要辨识的正是 m、J、推力系数 kT、反扭矩系数 kQ、力臂 L、阻力系数等。若这些参数不准，控制器输出的力矩与实际响应不匹配，表现为悬停抖动、航向漂移、响应迟滞或过冲。

五、案例场景：一次悬停漂移的排查

某四旋翼在悬停时持续向右漂移，操作手反复增大位置环增益无效。排查发现：加速度计Y轴存在约0.08g零偏，导致姿态估计认为机体向左倾斜，控制器为“纠正”而持续输出向右滚转力矩。重新做六面校准后，零偏降至0.005g以内，漂移消失。该案例说明：感知偏差会被控制环放大为执行动作，参数校准必须从源头开始。

综上，飞控系统是一个“感知—估计—控制—执行—动力学—再感知”的闭环。坐标系是描述这个闭环的统一语言，动力学模型是校准的数学对象，传感器与执行机构是校准的物理两端。只有先建立这套系统观，后续的校准方法与验证流程才有明确的落点。