Hi,
das Bewerten der Fitness ist wohl der schwierigste Teil. Ich würde vorschlagen mal zu loggen: Einmal mit guten Parametern und einmal mit schlechten. Dann kannst du mit den aufgezeichneten Daten erstmal herumprobieren ob du irgendwelche Parameter finden kannst, die die Fitness beschreiben. Das wird nicht ganz leicht, denn der Copter kann nicht zwischen Windböen und schlechten Parametern unterscheiden (bzw. vielleicht schon, aber das wird nicht trivial sein). Ein Schwingen wird vielleicht nur per Fourieranalyse von Windböen zu unterscheiden sein, keine Ahnung...
Ich bin mir nicht sicher, ob dein Hauptcontroller diese Aufgabe zusätzlich übernehmen kann. Nach meiner Einschätzung, braucht so eine Analyse eine Menge Daten die über einen mehr oder wenigen langen Zeitraum aufgezeichnet und verrechnet werden. Das ist für so einen armen mega328p anstrengend...
ki, kp und kd würde ich gleichzeitig optimieren, denn die beeinflussen sich alle gegenseitig. Wenn ein kp Wert gut ist und man dann z.B. ki erhöht, ist der Wert für kp plötzlich sehr suboptimal. Da bin ich mal gespannt auf die weitere Entwicklung :-D