途虎飞控算法笔试：串级 PID 与 EKF 考点

《面试题目》

1. 线上笔试共 50 题，题型包括单选、多选、判断、论述题，以及强制的 C 语言编程。
2. 客观题：实时系统与控制基础。
3. 客观题：姿态解算。
4. 客观题：串级 PID 控制。
5. 客观题：传感器融合与 EKF。
6. 主观题：多旋翼串级控制链路相关的工程控制。
7. 主观题：长航时无人机漂移的成因与全套解决方案。
8. 主观题：工业无人机的故障保护策略。
9. C 语言编程：实现增量式 PID。

《参考解析》

串级 PID 的关键是「分频」：内环快、外环慢，外环的输出就是内环的设定值。 多旋翼常见结构是位置环（或速度环）→ 姿态角环 → 角速度环，最内层角速度环跑在最高频率（几百赫兹到 1kHz），姿态角环居中（百赫兹量级），位置环最低（几十赫兹）。为什么要串起来：角速度环直接对抗扰动（风、桨叶不平衡、电机响应差异），把扰动在内环吃掉，外环看到的对象就变得近似线性，参数好调；如果只用单环角度控制，抗扰能力差且容易振荡。工程细节是面试官真正想听的：内环输出给的是力矩（经混控矩阵分配到各电机），外环输出的是期望角速度，中间要做限幅；积分项必须加抗饱和（clamping 或 back-calculation），否则长时间偏航误差会让积分饱和导致过冲；微分项对噪声敏感，实际实现常用「对测量值微分」加低通滤波，或用不完全微分；还要说明采样周期的选择要与传感器更新率匹配，以及为什么定点数或单精度浮点在嵌入式上够用。PX4 里对应的是 mc_att_control 与 mc_rate_control 两层，参数调整顺序是先内环再外环。

姿态解算考的是「用什么表示旋转、怎么把传感器融进去」。 表示法有三类：欧拉角直观但存在万向锁、且三角函数运算量大；旋转矩阵无奇异但要求每步正交化；四元数只有四个参数、无奇异、更新只需乘加并有成熟的归一化方法，因此飞控里普遍用四元数，只在人机界面转成欧拉角。传感器特性决定了融合策略：陀螺仪短期精确但积分会漂移，加速度计长期无漂移但受线加速度与振动干扰，磁力计提供绝对航向但易受电机与铁磁干扰。常见算法按复杂度排序：互补滤波（一次低通加一次高通，参数直观、算力最省）、Mahony（PI 校正四元数，非线性但计算量小，开源飞控里很常见）、Madgwick（梯度下降优化，精度更好些）、EKF（把姿态与陀螺零偏一起做状态估计，能处理噪声协方差与观测权重）。答题时把「陀螺积分漂移只能用绝对参考修正」这条主线讲透，再补一句磁力计需要椭球拟合标定、加速度计需要六面标定，基本就是完整答案。

EKF 的考点集中在状态量、观测方程与滤波调参三处。 状态量通常是姿态四元数、速度、位置、陀螺零偏与加速度计零偏（PX4 的 EKF2 就是这套），观测是 GPS 位置与速度、气压高度、磁力计航向、光流与视觉里程计。预测步用 IMU 积分推进状态与协方差（协方差传播用雅可比矩阵近似），更新步用各传感器的观测残差与卡尔曼增益修正状态并压低协方差。要理解的核心是「谁修正谁」：惯导推进给出高频但会漂的结果，绝对观测以各自的噪声权重把漂移拉回来，协方差矩阵就是这套权重体系的记忆。工程细节：残差要过卡方检验（innovation gate）来拒掉野值，GPS 跳点与磁干扰靠这一步拦住；传感器时间同步与延迟补偿直接影响融合精度（IMU 与相机/GPS 的时间戳必须对齐）；气压高度会随天气漂移，长航时要么用气压基准补偿、要么依赖于其它高度源。被问「为什么不用 UKF 或粒子滤波」时，答「EKF 在计算量、可维护性与工程验证成熟度上占优，工业产品优先选可解释、可复现的方案」比背诵算法优缺点更贴面试官的心。

长航时漂移是「多因叠加」的问题，要按来源分层给方案。 姿态与航向方向：陀螺零偏随温度变化（需要温度标定曲线或在线零偏估计）、磁力计受机载电流与结构件磁化影响（做椭球标定、把磁力计远离动力线、必要时用双天线 GNSS 定向替代磁航向）；位置方向：GNSS 单点定位本身有米级漂移与多路径、城市与峡谷环境遮挡导致卫星数跳变，长航时会累积成可见偏差，解决办法是 GNSS/RTK 加惯导紧组合、引入光流或视觉做速度观测、并保证各源的时间同步；机械与气动方向：机架形变与桨叶磨损改变推力分配、重心偏移导致悬停姿态角长期不为零，会通过积分项积累成「越来越偏」，需要重新配平与标定、必要时做在线质量与推力估计；振动方向：长航时电机温度升高导致振动谱变化，滤波参数固定时会引入低频误差，需要陷波滤波跟随转速。所谓「全套解决方案」的答法是把「标定与配平 → 滤波与融合 → 在线估计与自适应 → 起飞前自检与失效判定」四层串起来，并补一句可观测性：把估计器的残差、协方差与各传感器健康状态落进日志，才有办法在事后定位漂移来自哪一层。

故障保护策略要按「检测—决策—执行」三段设计，并明确每一级的兜底动作。 检测项包括：遥控链路丢失（数传/遥控心跳超时）、动力异常（电流电压突变、单电机转速不一致、振动超限）、位置源失效（GNSS 失锁、EKF 协方差超限或残差越界）、电量（低压阈值与剩余航时估算）、地理围栏越界、以及内部看门狗（任务超时、传感器数据停止更新）。决策上要区分「降级」与「终止」：能继续飞的降级到定点悬停、切高度保持或降低最大速度；不能继续的按预设顺序执行返航、就近降落、切降落伞或直接切断动力。执行层要保证动作本身是幂等、可中断且不会互相打架的（返航途中电量继续下降要能升级为降落）。工业场景还要考虑「失效安全」的默认态：任何未分类的异常都应落到最保守的动作，而不是继续任务；以及冗余设计（双 IMU、双 GNSS、双电源）与切换时的一致性判定。回答时给出量化的触发阈值与迟滞时间（避免在阈值附近反复切换）会比罗列名词专业得多。

增量式 PID 的编程题考的是「能不能写出工程上跑得住的实现」，不是公式默写。 增量式输出的形式是 Δu = Kp*(e_k - e_{k-1}) + Ki*e_k + Kd*(e_k - 2*e_{k-1} + e_{k-2})，累加后得到 u_k；相对位置式的好处是不需要长期保存积分项的绝对值、切换手自动时冲击小、天然带抗饱和（积分通过增量累加）。写代码时要处理这些点：用 float 或定点并注意累加误差、微分项对噪声敏感要加一阶低通（或用带滤波的微分）、输出做限幅并同步限制累加项（clamping 抗饱和）、采样周期变化时 Ki/Kd 要按 dt 归一化（否则改频率就得重调参）、以及状态用结构体保存 e_{k-1}、e_{k-2}、u_{k-1} 以便重置时清零。工业代码还要求：无动态内存分配、无浮点异常、有初始化与复位接口、参数可在线修改且修改时不清积分。写完主动补一句测试思路（阶跃响应看超调与上升时间、加阶跃扰动看恢复能力、长时间运行看积分是否漂移）能明显拉分。