В. Яценко - Твой первый квадрокоптер: теория и практика

Триммирование акселерометров

Даже при самой точной калибровке уровня на идеально горизонтальной плоскости собранный коптер будет слегка смещаться в сторону по множеству причин: разная тяга моторов, кривизна рамы, смещение центра тяжести, неточный монтаж контроллера на раме и т. д. Но, как вы знаете, пользоваться триммерами пульта категорически не рекомендуется. Поэтому будем триммировать акселерометры средствами самого контроллера. Это нужно делать в безветренную погоду.

Установив, в какую сторону смещается коптер, посадите его и деактивируйте моторы. Рукоятку газа переместите вверх до упора. Правую рукоятку переместите до упора в сторону, противоположную крену. Если присутствуют крены по двум направлениям, их следует триммировать по очереди. Например, если коптер кренится вправо и вперед, переместите рукоятку влево. Контроллер ответит на команду серией вспышек светодиодов А и С, после чего верните рукоятку в нейтраль. Аналогично скорректируйте продольный крен смещением рукоятки назад. Одно перемещение рукоятки соответствует крену в 0,1°. Обычно предварительное триммирование выполняют сериями по 3–4 отклонения рукоятки. Затем поднимите коптер в воздух и проверьте результат. При необходимости повторите процедуру. Правильно триммированный коптер при отсутствии ветра висит спокойно и почти не дрейфует.

Теперь обратим внимание на курсовую устойчивость. Коптер не должен стремиться повернуться вправо или влево. Легкий дрейф курса до 10° в течение нескольких минут считается нормальным. Стремление к повороту может быть вызвано неточной геометрией рамы или установкой моторов не строго горизонтально, особенно на круглых трубчатых лучах, а также неравномерным износом подшипников моторов или затрудненным вращением после аварии. Магнетометр на время проверки следует выключить, чтобы исключить влияние магнитных наводок.

Итак, мы имеем предварительно настроенный коптер, который достаточно стабилец и пригоден для эксплуатации. Зачастую этим можно ограничиться, т. к. прошивка по умолчанию включает в себя подобранные опытным путем усредненные настройки. Но лучших результатов можно достичь при точной настройке параметров обратной связи PID.

Мультикоптер представляет собой классическую стабилизированную систему с обратной связью, реагирующую на внешние воздействия с целью компенсировать их влияние. Прежде всего, стабилизируется положение коптера по горизонтали и по курсу. Это обязательный минимум. При наличии соответствующих данных может также стабилизироваться высота по барометру и позиция по GPS.

Реакция системы на внешнее воздействие определяется тремя компонентами отклика: пропорциональным ( P roportional), интегральным ( I ntegral) и дифференциальным ( D ifferential). Отсюда и пошло сокращение РID. Для более ясного понимания компоненты можно свести в условную зависимость:

F STAB= Р∙Sens+ 1∙ Sens— D∙ Sens,

где F STAB— усилие, направленное на возврат коптера в положение стабилизации; Sens — данные об угловых ускорениях и кренах, поступающие с сенсоров. Обратите внимание, что D стоит в формуле с отрицательным знаком, это понадобится далее.

Компонент Proportionalопределяет степень пропорциональности отклика системы на воздействие. Функция отклика линейная. Чем больше значение Р , тем сильнее система противодействует внешнему влиянию, возвращая коптер в исходное положение. Чрезмерная реакция может привести к тому, что коптер проскочит положение равновесия (перерегулирование). Потребуется возвращать коптер в обратном направлении. Таким образом, могут возникнуть затухающие колебания (осцилляции), а в крайних случаях и незатухающая неуправляемая раскачка. Поэтому параметр Р должен быть подобран так, чтобы не возникали осцилляции.

Для более точного и адекватного регулирования желательно, чтобы отклик системы формировался по более сложному закону, чем линейная зависимость. Например, компенсация кратковременного воздействия мимолетного завихрения воздуха не требует такого же мощного отклика, как при воздействии постоянного сильного потока ветра. Вблизи точки равновесия желательно уменьшить реакцию, чтобы не проскочить искомое положение. Поэтому одним лишь параметром Р не обойтись.

Integral— период времени, в течение, которого накапливаются и усредняются данные об отклонении от равновесной точки. Позволяет устранять дрейф, возникающий за счет небольших отклонений от равновесной точки. Дрейф возникает за счет ошибок в неидеальной системе обратной связи, и реальная система никогда не попадает точно "в ноль". Интегральный компонент позволяет накопить ошибку за заданный интервал времени и полученную суммарную величину применить для окончательного выравнивания. При меньшем значении I коптер быстрее заканчивает цикл выравнивания, но с меньшей точностью попадает в ноль и больше подвержен дрейфу. При большем значении коптер выравнивается дольше, но точнее и меньше подвержен дрейфу.

Differential— зависимость скорости возврата в исходное положение от степени отклонения. Совершенно логичный алгоритм действия: чем сильнее коптер отклонился, тем больше скорость, с которой он начинает возвращаться, а по мере компенсации отклонения скорость возврата снижается.

Внимание!

Параметр D в конфигураторе задан положительным числом, но в формуле используется со знаком "минус". Это часто порождает путаницу и вынуэдает делать оговорки. Оперируя понятиями "меньше" и "больше", мы будем иметь в виду значения, задаваемые в конфигураторе.

Увеличение D приводит к увеличению скорости возврата, усиливает влияние Р и может привести к появлению осцилляции. Уменьшение D снижает склонность к осцилляции и влияние Р и уменьшает скорость возврата.

Как видите, изменение компонентов I и D изменяет значимость компонента Р для процесса стабилизации. Поэтому настройка PID — это многоэтапный процесс, в котором приходится начинать с настройки Р, затем настройки I и D а затем возвращаться к более точной подстройке Р и так, возможно, несколько раз. Прошивка содержит некие более-менее универсальные значения PID, которые позволят вам совершить достаточно стабильные первые полеты, но в дальнейшем вы обязательно захотите настроить PID под свой коптер и свои предпочтения.

Базовая настройка параметра Р

Для настройки рекомендуется использовать подключение к коптеру по Bluetooth, т. к. придется неоднократно обращаться к настройкам через программу конфигуратора. Иначе придется каждый раз отключать/подключать силовую батарею и провод USB.