无人机云台两轴稳定控制

本实验演示机载云台跟踪目标视线时的两轴 PID 稳定控制。目标在画面中平滑摆动， 控制器输出 pan/tilt 角速度，经过速率限制和死区后驱动云台，最后统计跟随误差。

源码位置：src/air/uav_gimbal_stabilization/

实验目标

• 理解云台 pan/tilt 两轴独立控制；
• 为每个轴加入 PID、积分限幅和死区；
• 限制角速度，避免目标突变造成过大的执行器指令；
• 用合成目标轨迹复现闭环收敛并记录 CSV；
• 明确区分仿真验证与真实云台硬件实验。

控制流程

合成目标轨迹
    ↓
pan/tilt 角度误差
    ↓
两轴 PID + 死区
    ↓
角速度限幅
    ↓
云台角速度模型
    ↓
状态、误差与指标

控制律：

rate_axis = Kp·e + Ki·∫e dt + Kd·de/dt
rate_axis_clipped = clip(rate_axis, -max_rate, max_rate)

|e| 小于 deadband 时输出零角速度，抑制小幅噪声导致的抖动。

运行

cd ~/catkin_ws
catkin_make
source devel/setup.bash
roslaunch uav_gimbal_stabilization main.launch

纯 Python 仿真：

cd src/air/uav_gimbal_stabilization
python3 scripts/main.py --duration 12 --rate 50 \
  --csv /tmp/gimbal.csv --plot /tmp/gimbal.png

ROS 话题

Vector3 字段含义：

• /uav/gimbal/target：x=pan 目标角，y=tilt 目标角，z=0；
• /uav/gimbal/cmd：x=pan 角速度，y=tilt 角速度，z=0；
• /uav/gimbal/state：x=当前 pan，y=当前 tilt，z=二维综合角误差。

duration 和 rate 必须是有限正数；没有有效样本时，CSV 和绘图函数会安全返回。 ROS 节点的最终 status 同时给出 samples、rmse_deg、max_error_deg 和 saturation_ratio。

结果指标

• 二维角误差 RMSE；
• 最大角误差；
• 指令饱和比例；
• 运行步数和 CSV 记录。

本次 50 Hz、12 s 离线闭环仿真的结果：

响应图上方面板同时给出 pan、tilt 的目标与响应，下方给出二维角误差。当前平滑目标 轨迹没有触发 60°/s 的速率上限，饱和处理通过单元测试中的大幅阶跃输入单独验证。

测试

catkin 自动测试：

cd ~/catkin_ws
catkin_make run_tests_uav_gimbal_stabilization
catkin_test_results

单独运行 unittest：

cd src/air/uav_gimbal_stabilization
python3 -m unittest discover -s test -v

11 项测试覆盖 PID 速率限幅、死区、双轴误差、目标轨迹确定性、闭环前后段 误差下降、CSV 首条时间、非法时长/频率、空结果和离线参数校验。

AI 使用声明

使用 Codex（OpenAI）辅助代码、测试和文档整理；算法参数、运行结果与提交内容由作者复核并负责。

本包采用 MIT License，完整许可证文本位于 src/air/uav_gimbal_stabilization/LICENSE。