调固定翼飞控的朋友大概率都遇到过这个场景：飞机上天后，横滚方向一直在画S形，明明航向设好了，可航迹总是在目标线两侧来回抽；高度也像是在坐电梯，油门推了不加速、升降舵拉了高度又迅速掉速度。我在第一次用Pixhawk飞固定翼的时候，被这两个问题折磨了整整一个周末。后来才明白，水平通道和垂直通道分别由两套核心算法撑着——L1导航算法负责“怎么沿航迹走”，TECS总能量控制负责“怎么管油门和升降舵”。这篇文章从原理讲到代码，把参数整定和踩坑经验一次说透，适合正在调Pixhawk固定翼的新手，也适合想从传统PID思维转到现代控制思路的老手。先说清楚一件事，本文以ArduPilot固件为例，但L1和TECS的核心思想在PX4里同样存在，你把原理吃透，换平台只是换个参数入口而已。

1. 为什么固定翼控制要单独研究L1和TECS

1.1 先把一个概念掰清楚：飞行控制里的L1和机器学习里的L1正则化

这里必须先做个名词澄清，因为网上搜索“L1算法”时，大概率会蹦出一堆机器学习的文章，什么L1正则化、L1损失，跟飞控半毛钱关系都没有。

简单说，机器学习里的L1正则化解决的是“模型稀疏性”问题，L1损失解决的是“误差怎么度量”的问题，它们关注的是数据空间里的数值规律。而飞控里的L1制导是MIT的Rolf Rysdyk在2002年前后提出的非线性制导律，解决的是“飞机怎么沿着规划好的航线飞”的问题。纯属同名，千万别混着看，不然调参的时候查资料能被绕晕。

另外多说一句，如果你以后写程序用到了“L1损失”和“L2损失”，什么场景下该加哪个也有讲究：L1损失对离群点不敏感，适合误差比较脏的场景；L2损失对离群点惩罚严重，但整体更平滑。这跟在飞控里调L1完全无关，仅仅因为名字撞车，提醒你不要被搜索关联误导。

1.2 固定翼控制回路的“分工逻辑”

Pixhawk上的固定翼自动飞行，控制回路不是一坨代码全包圆，而是分层协作。外环是制导层，负责根据当前位置、速度、目标航点算出“飞机下一步应该往哪使劲”；中环是姿态层，负责把制导层的指令变成横滚角、俯仰角；内环是角速率层，负责真正驱动舵面和油门。

L1和TECS都属于外环制导层，但分工非常明确：

• L1处理水平通道：它接收当前地速、航迹信息和目标航线，输出一个期望横滚角。
• TECS处理垂直通道：它接收当前空速、高度和期望空速、期望高度，输出期望俯仰角和油门值。

这两个通道最终都会送到姿态控制器，由姿态控制器去统一调度舵面。你甚至可以这么理解：L1决定“飞机往哪边压坡度”，TECS决定“飞机抬头还是低头、油门给大还是给小”。这两套算法协同，固定翼才能既沿着航线飞，又保持速度高度稳定。

为什么不用传统PID一个回路调到底？因为固定翼不是四旋翼那样的强耦合弱非线性模型，固定翼的速度和高度互相影响：你拉升降舵爬升，动能转换成势能，空速会掉；你推油门加速，升力增加又会改变高度轨迹。用串级PID硬调，经常是速度环和高度环互相打架，调三天不出效果。L1和TECS的价值，就是把这种复杂耦合拆解成“水平”和“垂直”两个相对独立的问题，降低整定难度。

2. L1导航算法拆解：从几何直觉到代码

2.1 L1的核心思路：跟着前方一个点飞

L1制导的精髓特别容易理解，你把它想象成开车：你要沿着一条直线车道走，但你的车头方向和车道方向没对齐，怎么打方向最平滑？不是死盯着车头正前方，而是盯着车道上“前方一段距离”的某个点，朝着那个点打方向，随着车往前开，这个目标点不断往前滚动，方向盘自然就越来越缓和。

L1算法也一样。它在期望航迹上取一个点，这个点到飞机的距离是一个固定值L1，然后飞机用地速方向作为参考，计算地速方向与飞机到目标点连线之间的夹角η。期望侧向加速度的公式是：

a_cmd = 2 * V² * sin(η) / L1

其中V是地速，L1是前方参考距离，η是地速方向到目标点连线的夹角。

这个公式的精妙之处在于，sin(η)让控制量在误差大时响应快、误差小时自然衰减，而2/L1这个系数让整个闭环呈现出一阶惯性的平滑特征。原论文里推导过，这个制导律在线性化之后，闭环极点是带有0.707阻尼比的二阶系统，也就是说你不需要额外去调阻尼，天生就比较稳。实际工程中你会发现，L1距离取得越大，航迹跟踪越柔和，但转弯响应越迟钝；取得越小，跟踪越激进，但也容易振荡。

2.2 参数如何设：L1距离、阻尼比与侧向的前馈

在ArduPilot的固定翼固件里，L1制导相关参数主要集中在三个：

我最开始调机时，习惯性地把NAV_L1_PERIOD调到10，结果飞机在航线上左右横摆，像喝醉了酒。后来才反应过来，L1距离不是随便定的，它本质上是“你希望飞机提前多远的距离开始预测转弯”，距离太短，控制器相当于一个高增益的比例控制，动态上必然震荡。正确的做法是：先根据飞机的巡航速度和转弯半径估算，一般让L1距离在15到40米左右，手抛小机取小值，2米翼展以上的载机取大值。

还有一个容易忽略的点：L1公式里的V用的是地速，而不是空速。原因很简单，导航是地面几何问题，飞机要跟踪的是地面上的航线轨迹，地速才反映真实的航迹推进速度。不过TECS那边恰恰用空速，这俩千万别混。

2.3 从几何到工程：侧向加速度为什么先转成横滚角

L1算出来的是侧向加速度，但舵机不认识侧向加速度，姿态控制器只认横滚角。所以工程实现上必须做一次转换：bank_angle_cmd = atan(a_cmd / g)，g是重力加速度。

这个转换的物理含义是：固定翼要产生侧向加速度，唯一的办法就是从竖直方向借力，把升力矢量倾斜过来。你压坡度的角度越大，升力的水平分量就越大，转弯就越快。从侧向加速度到期望横滚角的转换，本质上就是把“几何制导”和“姿态控制”桥接起来的一步。

所以你会看到，Pixhawk的日志里，L1输出往往是一个横滚角指令，然后姿态PID再去追这个角。如果姿态控制器响应太慢、横滚通道增益过低，L1算得再好也没用，航迹一样会“看着在收敛、实际上在漂”。这也是我调机时一个深刻的教训：制导算法只是大脑，内环姿态才是肌肉，单练大脑不练肌肉，飞机照样飞不利索。

3. TECS总能量控制深度解析：油门和升降舵为什么不再打架

3.1 传统PID串级在天上的“内耗”

我们先来看看不用TECS、直接用串级PID控制固定翼会出什么问题。常规思路是：高度误差给升降舵，空速误差给油门。逻辑上听起来没毛病——高了我低头，慢了给油。

但固定翼有一个天然的物理耦合问题：飞机爬升时，一部分推力用来克服重力做功，空速会下降；空速下降后升力变小，高度又会掉。如果你用升降舵去追高度，高度一有偏差就猛拉杆，速度立刻就掉；速度掉了之后PID又去推油门，油门推大了飞机抬头，高度又超调。这个循环往复，飞机在空中表现就是“点头+油门喘振”，而且很容易越调越乱，因为两个回路的增益互相牵制。

我见过不少新手的固定翼，日志里油门曲线像锯齿一样上下跳动，高度也能稳住，但整个飞行过程非常疲惫，电机和舵机都在被反复折磨。这个问题的根源不是PID参数不好，而是控制结构本身没有解耦。

TECS的思路就是直接从能量角度把这个问题绕过去。

3.2 TECS到底在算什么：总能量与能量分配率

TECS的全称是Total Energy Control System，总能量控制系统。它的核心思想是：飞机在垂直平面内的能量包括动能和势能，总能量E = 0.5 * m * V² + m * g * h，油门应该控制的是总能量的变化率，而升降舵控制的应该是能量在动能和势能之间的分配。

这句话要拆开理解。先看油门：如果飞机既需要加速、又需要爬升，那就需要增加总能量，油门必须加大；如果总能量够了，只是速度高度分配不合理，油门就不要动，让升降舵去处理。这就是“油门管总能量”的含义。

再看升降舵：如果能量分配需要把动能转成势能，也就是减速换取爬升，升降舵就抬头；反过来，把势能转成动能，升降舵就低头。最典型的就是下滑阶段：你要保持空速不变，但又要降低高度，这时候升力不足会让空速增加，所以需要轻微低头，把势能转换成动能，同时配合油门收小，保持总能量稳定下降。

在ArduPilot的TECS实现里，它会计算一个速度误差和高度误差的加权组合，这个组合量叫SPE_error（能量误差），油门就根据这个能量误差来调节；同时它还会计算能量分配率的误差，俯仰通道的指令就来自这个分配率误差。

用公式直观表示一下：

• 总能量误差：SPE_error = 空速误差项 + K_h * 高度误差项
• 油门指令：throttle_dem = 巡航油门 + K_thr * (SPE_error + 积分项)
• 能量分配率误差：SPE_dot_error = 动能变化率期望误差 - 势能变化率期望误差
• 俯仰指令：pitch_dem = 巡航俯仰 + K_pitch * SPE_dot_error + 阻尼补偿

这种解耦结构的好处是，高度偏差不会像传统PID那样引发油门剧烈波动，速度偏差也不会导致升降舵乱点头，因为油门只管“总量够不够”，升降舵只管“分配对不对”，两个通道从底层就不打架。

3.3 TECS参数速查与整定心得

ArduPilot里TECS相关参数命名很规律，直接以TECS开头，我整理一份常用的：

调TECS我的经验顺序是：先设准TECS_SPEED。空速计必须装好，TECS对空速的依赖远大于对GPS的依赖，空速不准或者延迟大，TECS怎么调都别扭。接着调TECS_TIME_CONST，它决定了整个内环的响应快慢。然后动TECS_THR_DAMP和TECS_PITCH_DAMP，这两个是核心，我一般从默认值开始，一次只动0.02到0.05，飞一个起落看日志再说。

我最开始调TECS时犯过一个错：TECS_SPEED设成了12，但实测巡航速度只有10，导致飞机一直在空中“较劲”——油门全开想追速度，升降舵又不断低头配合，结果整个高度轨迹像波浪一样起伏。后来把TECS_SPEED修正回实际巡航速度，问题瞬间消失。TECS的一切都建立在“速度期望合理”这个前提下，速度设错，后头全白调。

4. 实战配置与代码解析：在Pixhawk（ArduPilot）上跑起来

4.1 固件选择与硬件准备

Pixhawk只是飞控硬件平台，固件可以是ArduPilot，也可以是PX4。这两个都支持固定翼，但ArduPilot的ArduPlane对固定翼的支持更成熟，L1和TECS的代码结构也更直观，所以我个人建议玩固定翼优先考虑ArduPlane固件。PX4的固定翼控制也有路径跟踪和速度高度控制，但参数命名和调试方法和ArduPilot差异较大，新手先别两头抓。

硬件上，除非你只是跑纯仿真，否则我强烈建议固定翼装机时配备空速计。TECS是依赖空速的算法，没有空速计，它只能靠GPS地速去估计，遇到风一吹就完全乱套。我见过有人为了省事不装空速计，结果每次侧风降落时油门和俯仰都在高频振荡，这就是TECS拿不到真实空速的典型症状。

装机之后，常规校准一个都不能少：罗盘校准、水平校准、遥控器行程校准、舵机中位微调。特别注意固定翼的方向舵和升降舵的舵面方向，错了的话飞机一离地就会画一个诡异的弧线，跟算法没关系。

4.2 关键参数配置清单

下面是ArduPlane里跑固定翼自动飞行前，我建议先检查一遍的参数清单：

这个清单不是让你照着改完就飞，而是给你一个起点。很多参数在不同机型和天气下都需要再做微调，但把上表里的基础值设对，飞机至少不会在天上乱闹脾气。

4.3 从ArduPilot源码看L1与TECS的实现

先看L1。ArduPilot的L1控制代码在libraries/AP_L1_Control/AP_L1_Control.cpp里，核心逻辑简化出来大概是这个样子：

// 简化自ArduPilot AP_L1_Control::update_navigation void L1_Control::update(const Vector2f& groundspeed_vec, const Vector2f& position, const Vector2f& target_waypoint) { // 1. 计算当前点到航迹的横向偏差xtrack_vel和xtrack float xtrack_vel = ...; float xtrack = ...; // 2. 构造航迹前方距离为L1的参考点 // L1 = NAV_L1_PERIOD * speed float L1_distance = _L1_period * groundspeed_vec.length(); Vector2f target = target_waypoint + groundspeed_vec.normalized() * L1_distance; // 3. 计算地速向量与飞机到目标点连线之间的夹角eta float eta = wrap_PI(atan2(target - position) - atan2(groundspeed_vec)); // 4. 经典L1制导律计算侧向加速度 float lateral_accel = 2.0f * groundspeed_vec.length() * groundspeed_vec.length() * sinf(eta) / L1_distance; // 5. 由侧向加速度换算期望横滚角 _nav_bank = atanf(lateral_accel / GRAVITY_MSS) * RAD_TO_DEG; }

注意看第4行，这个lateral_accel就是公式里的a_cmd，第5行则是把加速度变成期望横滚角。整个函数没有花哨的滤波和复杂的PID计算，所有的智能都浓缩在“前方取一个L1距离的参考点”这个几何操作里。L1_N_P参数在完整源码里作用在期望航向变化率的前馈项，说人话就是：当前方航迹在弯曲时，提前一点点加横滚量，让飞机切弯更跟手。

再看TECS。ArduPilot的TECS代码在libraries/AP_TECS/AP_TECS.cpp里，油门通道和俯仰通道是分开计算的，核心思路简化如下：

// 简化自ArduPilot AP_TECS::update_throttle 与 update_pitch void TECS::update() { // 1. 总能量误差 = 速度误差 + 高度误差折算 float SPE_error = (sp_dem - sp) + _height_scale * (h_dem - h); // 2. 油门通道：管总能量的“量” _throttle_dem = _throttle_trim + _K_thr * (SPE_error + _SPE_error_int); // 3. 能量分配率误差：管动能和势能的“分配” float SPE_dot_error = (sp_dem_dot - sp_dot) - (h_dem_dot - h_dot); // 4. 俯仰通道：由分配率误差产生期望俯仰角 _pitch_dem = _pitch_trim + _K_pitch * SPE_dot_error - _pitch_damp * climb_rate; }

这段代码看着短，但它说的很清楚：油门不直接管高度，俯仰也不直接管速度。油门在纠“总能量没了多少”，俯仰在纠“能量是不是分错了方向”。只要总能量误差是零，油门就稳在巡航值附近；只要分配率正确，升降舵就不会为了一点高度偏差乱拉。

实际源码里还有一堆积分限幅、输出限幅、模式切换逻辑，但理解了这两个核心公式，日志里的油门曲线、俯仰角曲线你基本就能读懂了。

4.4 先用仿真验证：固定翼飞机仿真与传感器仿真

调飞控最怕的就是拿真机试错，一个参数不对可能炸鸡。ArduPilot提供的SITL（Software In The Loop）仿真，是把真实的飞控固件跑在PC上，用仿真模型模拟固定翼飞机本体和传感器输出。你可以先用SITL把L1和TECS的初步参数验证一遍，再上真机。

SITL的启动方式很简单，在安装了ArduPilot开发环境之后，一条命令就能起飞：

sim_vehicle.py -v ArduPlane --console --map

启动后，MAVProxy会模拟一架固定翼飞机，你可以在里面开自动模式、玩航点任务、看姿态响应。更重要的是，SITL还能做传感器仿真：你可以故意注入风场扰动，把GPS信号改差，甚至模拟空速计延迟，观察L1和TECS在极端条件下的表现。这样你就能在零风险的情况下建立对算法的直觉：L1跟着前方参考点转，TECS在油门和升降舵之间做能量分配，这些代码层面的概念被真实的数据曲线印证之后，你对它们的理解会完全不一样。

我个人强烈建议，实飞前至少花一个下午做SITL参数扫掠。比如把NAV_L1_PERIOD从15到30每隔2拉一组，记录每一组的航迹偏差和横滚角变化，很快就能找到最适合自己机型的取值区间。这个习惯帮我省下过好几架飞机的维修费。

5. 飞行调试中的常见问题与排查技巧

5.1 常见问题速查表

这一节纯干货，都是我实际调机时踩过或者见过别人踩的坑，整理成速查表方便你对照。

遇到问题先别急着改参数，我建议你先下载飞行日志，看几个关键曲线：地速、空速、高度、油门输出、俯仰角期望与实际俯仰角、横滚角期望与实际横滚角。参数问题是哪一种，日志里写得很清楚。很多时候你以为的“TECS参数问题”，看日志发现其实是“姿态内环响应不够”，白白调了一晚上。

5.2 调参阶段值得长期坚持的三个习惯

第一个习惯：一次只改一个参数。这是老生常谈，但能做到的人真的不多。L1和TECS涉及参数又多又相互影响，如果你同时改了NAV_L1_PERIOD和TECS_PITCH_DAMP，飞机飞出奇怪响应，你根本不知道是哪个参数惹的祸。一次只动一个，飞一个起落，看日志，再动下一个，效率反而最高。

第二个习惯：把气象条件记录下来。固定翼的调试受风影响极大，同样一组参数，无风天飞得很直，三级风天就可能画龙。我每次试飞都会在笔记本上记录当天风速风向、阵风情况，再对应去看航迹表现。慢慢你会发现，L1和TECS在不同风况下的弱点完全不同，这对后续参数优化非常关键。

第三个习惯：仿真先行，真机确认。前面说的SITL，不只是入门练习用的，它完全可以用来做参数风险评估。你可以在SITL里把参数往极限调一调，看看算法在边缘状态下的表现，提前建立对参数边界的感觉，再带着这个感觉去真机上微调。

写在最后

最后再分享一个我自己的习惯：每次新装一架固定翼，我不会一上来就飞航线自动模式，而是先在手动模式下做几次平飞、爬升、下降，把巡航油门、巡航速度摸清楚，然后把TECS_SPEED和TRIM_THROTTLE填准，再开自动模式。L1和TECS其实都不想“背锅”，它们只负责在你给了合理参考值时把飞机控制好，参考值本身就是航模飞行员的基本功。先调水平通道的L1，让飞机能直着走；再调垂直通道的TECS，让飞机走得稳；最后再统一做动态配合。这套顺序我用了很多年，几乎没失手过。你如果也在调固定翼，建议从今晚的SITL参数扫掠开始，先让虚拟飞机把路走一遍，真机上天的时候心里会踏实很多。