Что такое PID, на что влияет и как настроить – Все о квадрокоптерах | PROFPV.RU

Калибровка квадрокоптера на основных режимах полёта

Для того чтобы правильно произвести настройку квадрокоптера, надо знать основные режимы полёта:

• Stabilize. В этом режиме автопилот, без применения стиков сам убирает крен и тангаж и приводит квадрокоптер к горизонту.
• AltHold. Режим выдерживания высоты. Считывая показания барометра, дрон выдерживает заданную высоту, стиком газа её корректируют с начальными показателями.
• Acro. Если не трогать стики, тангаж и крен остаются неизменными, чтобы их выровнять нужно перемещать стики в противоположную сторону.
• Auto. По данным GPS перемещение по путевым точкам.
• Loiter. Режим зависания. Аппарат выдерживает заданные координаты и высоту.
• Position. Режим зависания с помощью газа.
• Guided. Перелёт в заданный waypoint и нахождение в этой точке.
• Circle. Сохраняя радиус, перемещение вокруг заданной точки.
• RTL. Режим возврата на точку старта с посадкой или зависанием на двухметровой высоте над этой точкой.
• OF Loiter. Используя OpticalFlowSensor, выполняется режим зависания с ещё большей точностью.
• Drift. Самолётный режим с выдерживанием заданного курса.
• Sport. При выполнении съёмки, высота выдерживается автоматически вместе с углом крена.
• Land. Выполнение посадки.

Теперь зная основные режимы полёта, вполне понятно для чего необходима тщательная калибровка квадрокоптера.

Что такое pid в квадрокоптерах

К сожалению, в этом мире не все идеально, поэтому были придуманы PID (далее по тексту ПИД), чтобы приблизиться к идеалам.

PID — это функция в полетном контроллере. Эта функция считывает данные с датчиков и передает двигателям, как быстро им нужно вращаться. В конечном итоге, именно так достигается стабильность и идеальность полета квадрокоптера.

PID обозначает производную пропорционального интеграла. ПИД-регулятор представляет собой замкнутую систему управления, которая пытается получить фактический результат ближе к желаемому результату, внеся коррективы в выходные данные, которые отправляются двигателям. Если происходит ошибка, она возвращается в начало и цикл повторяется.

ПИД-регулятор вычисляет значение «ошибка» как разность между измеряемой величиной и желаемой величиной. Контроллер пытается свести к минимуму ошибку, отрегулировав поступающие значения управления.

Работает это так: в квадрокоптере PID получает данные с датчиков и сравнивает их с поступившими данными. Разница между этими данные называется «ошибка» или «error» по-английски и старается уменьшить в последующем эту ошибку. Посмотрите на схему, чтобы понять, как PID стабилизирует квадрокоптер:

В ПИД-регуляторе есть три функции: P, I и D. Эти значения могут быть интерпретированы с точки зрения времени:

Объяснил максимально просто — как работают PID на квадрокоптере. На практике, каждый из этих трех параметров представляет собой уникальные эффекты и характеристики, а также устойчивость для каждого квадрокоптера.

Эти параметры представляют собой числа, с которыми можно «играть», это коэффициенты 3 алгоритмов, о которых я писал выше. Коэффициенты изменяют влияние каждого алгоритма на выход данных. Сейчас мы рассмотрим, какие эффекты получаются при изменении коэффициентов PID.

Квадрокоптер может перемещаться по 3 осям и для каждой оси есть свое PID-значение. Это означает, что у нас будет отдельный набор коэффициентов ПИД для каждой оси (Pitch, Roll и Yaw), всего 9 значений, которые мы можем настроить.

Повторюсь, не обязательно полностью понимать как работает PID, чтобы нормально летать, однако, если вам интересна более глубокая теория, то далее будет интересное объяснение, постараюсь изложить все как можно в более легкой форме.

Как работают значения pid, их изменение

Как правило, изменение значений ПИД (усиления) оказывает влияние на поведение квадрокоптера:

Усиление p

P определяет, насколько жестко контроллер полета исправляет погрешности, чтобы достичь желаемой траектории полета. Этот параметр регулирует чувствительность и отзывчивость на изменения положения стиков. Чем выше это число, тем выше чувствительность и отзывчивость.

Более высокий коэффициент Р, означает более четкое управление, в то время как низкий Р — более мягкое и плавное управление. Но если это значение слишком большое, дрон станет слишком чувствительным и начнет сам себя корректировать, а также начнутся колебания значений положения стиков.

Можно снизить P, чтобы уменьшить колебания, но тогда дрон будет нечетко выполнять ваши команды, поэтому нужно будет поиграть с I и D, чтобы это компенсировать.

Усиление i

Значение I определяет, насколько сильно он будет поддерживать квадрокоптер при воздействии внешних факторов, таких как ветер и смещение центра тяжести, например.

Это настройка жесткости при поворотах квадрокоптера.

Обычно, настройки по умолчанию вполне хорошо справляются с этим, но если вы заметили некоторый дрейф дрона без вашей команды, то увеличьте немного значение I. Если значение будет слишком низкое, вам часто придется исправлять траекторию полета дроном, особенно, если вы часто меняете уровень газа.

Если значение I будет слишком высокое, то поведение квадрокоптера будет «деревянным», он будет слабо реагировать на ваши изменения положения стика на пульте. Никакие регуляторы оборотов, двигатели и пропеллеры не одинаковы, каждый на какую-то часть, но работает по-своему, поэтому когда вы даете резкий газ, а потом резко опускаете стик газа, один двигатель будет останавливаться быстрее другого и наоборот, все это вызывает провалы в положении квадрокоптера в воздухе, один двигатель еще имеет тягу, а другой уже нет.

Таким образом, I используется для исправления таких мелких проблем.

Усиление d

D работает как демпфер (глушитель, гаситель) и уменьшает чрезмерную коррекцию и регулирование коэффициента P. Увеличивая значение D, вы смягчаете воздействие Р, как бы добавляя «пружину» и также минимизирует вибрацию пропеллеров.

Если D будет слишком маленьким, то дрон будет как бы «отскакивать» назад в конце флипов и кренов, а также у вас будет сильная вибрация, вызванная вертикальным снижением.

Слишком большое значение тоже приводит к вибрациям. В попытке стабилизировать квадркоптер, полетный контроллер будет командовать регуляторам оборотов, чтобы те то прибавляли обороты двигателям, то уменьшали с такой скоростью (в смысле быстрее-медленнее), что из-за этого двигатели перегреются и сгорят. Вибрация также будет действовать на контроллер полета и со временем ситуация будет ухудшаться.

Еще одним побочным эффектом от D является то, что квадрокоптер становится «мягким», то есть реакция на команды слишком вялая.

Нужно ли настраивать pid?

На сегодня программное обеспечение для квадрокоптеров имеет сложную фильтрацию шумов и оптимизированные алгоритмы для полетов. Квадрокоптер может хорошо летать прямо из коробки на основе стандартных значений PID, если, конечно вы не используете некачественные детали или квадрокоптер очень плохо настроен.

Сделаем вывод, что в эти значения в большинстве своем лезть не требуется, разница будет между «хорошо летающий квадрокоптер» и «идеально летающий квадрокоптер».

Yaw p (рыскание р)

Yaw PID необходимо настроить отдельно. Значения по умолчанию обычно хорошо работают на всех дронах.

Выполните резкое и быстрое рыскание, если после остановки квадрокоптер дрожит или вибрирует — уменьшите значение Р, если он опустится на одну сторону — увеличьте Р.

Когда Р по рысканию слишком высок, то при рыскании квадрокоптер будет набирать высоту, в таком случае, Р следует уменьшить.

Бортовая электроника

Основной компонент, который мы разрабатывали самостоятельно, — плата стабилизации. Изначально она была основана на платформе Arduino Uno, потом заменили на более мощную Due, что позволило увеличить частоту ПИД-регуляторов с 40Гц до 66.(6)Гц.

Пропеллеры коптера приводятся в движение компактными бесколлекторными двигателями в связке со стандартными контроллерами оборотов — ESC. Мы используем ESC с изменённой прошивкой.

Для питания всей системы используется литий-полимерный аккумулятор (3S). Из соображений безопасности мы решили сделать систему мониторинга напряжения на аккумуляторе. В штатном режиме использования аккумуляторов система ведёт себя достаточно стабильно. Однако на начальных этапах работы мы наблюдали эффекты, вызванные неоптимальным использованием батарей:

Для наших целей ESC было решено перепрограммировать. Благодаря использованию прошивки tgy (от SimonK) мы добились уменьшения задержки системы на пути от центрального контроллера до двигателей. В результате компоненты ПИД и угловая скорость стали более синусоидальными, а поведение всей системы приблизилось к поведению математической модели.

Для измерения динамических параметров используются следующие датчики:

Виды калибровки

1. Механическая калибровка квадрокоптера
   Механическая калибровка, это подкручивание регулятора тяги. Подкручиваешь регулятор, поднимаешь дрон, если проблема осталась – повторяешь. Используется тогда, когда отклонение от нужной оси не очень велико.
2. Автоматическая калибровка квадрокоптера
   Автоматическая калибровка, это настройка работы дрона с пульта управления. Применяется, когда нужно сместить триммер на 5 и более позиций. Она происходит по-разному, в зависимости от пульта и контроллера. Придётся обратиться к инструкции.
3. С помощью ПО mission planer
   Это программа для калибровки плат Ardupilot. Она позволяет программно задать нужные параметры. Как правило, калибровка через неё происходит перед первым запуском самодельного коптера.

Калибровка происходит следующим образом:

• Включаем передатчик радиоуправления (на момент калибровки регуляторов радиоуправление должно быть уже откалибровано). Выставляем ручку газа на максимум
• Берем Li-Po аккумулятор и подключаем к разъему Power-модуля для включения автопилота. Питание регуляторов соответственно тоже будет обеспечивать этот аккумулятор
• После включения APM будет мигать своими синими и красными светодиодами. Этим он сигнализирует готовность к калибровке при следующем включении. Отключаем аккумулятор от Power-модуля
• Включаем питание заново. Регуляторы издают стандартный звуковой сигнал (обычно количество сигналов равно количеству банок в батарее) и через некоторое время дважды издает короткий сигнал, что подтверждает калибровку по максимальному газу
• Опускаем ручку газа в минимальное положение. Регуляторы издают один долгий сигнал, что подтверждает калибровку по минимальному газу
• С этого момента калибровка регуляторов для APM 2.8 завершена и можно проверить работоспособность моторов
• Убираем газ на минимум и выключаем питание Ardupilot.

Грабли

В случае с корректировкой мощностей моторов необходимо не допускать слишком низких и слишком высоких мощностей, при которых стабилизация работает неверно.

С одной стороны, существует минимальная мощность, которую уменьшить нельзя, или моторы просто остановятся. С другой, уменьшение мощности может быть необходимо для правильной работы алгоритма. Если мощность (throttle) уменьшить слишком сильно, ПИД может «зашкаливать» в нижнюю сторону. Чтобы решить эту проблему, мы ограничиваем доступные пилоту мощности.

Другая опасность — влияние побочных вибраций от моторов на

Детали

Для начала вам потребуется 4 мотора плюс 1 запасной. Пропеллеры тоже стоит взять с запасом, должно быть минимум 2 стандартных и 2 — обратного вращения. 4 регулятора скорости, плюс несколько запасных. В качестве источника питания не стоит брать один суперёмкий аккумулятор, так как он будет только придавать лишний вес устройству.

Правильнее всего предпочесть несколько мелких, чтобы менять их по очереди. Рама должна быть максимально прочной и легкой. Вариант, описанный выше, можно назвать вполне подходящим. В качестве мозгов и датчиков устройства можно использовать программируемый микроконтроллер, плата — AllInOne, акселерометр, гироскоп, управляющая арматура, аккумуляторы, зарядное устройство, а также многое другое.

Как откалибровать квадрокоптер syma x5c

Для начала изучите кнопки пульта управления, за что каждая отвечает, функционал. Включите коптер. Для этого переводим в режим «On» задвижку на самом дроне. Затем включаем пульт и тянем левый стик вниз (до упора).

Теперь наберите высоту и отследите, в каком направлении «заносит» ваш коптер. Если видите, что есть проблема, попробуйте сбросить настройки. Для этого нужно установить дрон на плоскую ровную площадку, включить, потянуть левый и правый стики вниз и налево. Подождите, пока настроится гироскоп. Затем сделайте то же самое, но направо (калибровка акселерометра).

Проведите повторный запуск коптера. Не помогло? Тогда приступаем к следующему этапу — триммированию (изменению оборотов мотора).

Какие бывают размеры пропеллеров

Размер пропеллеров напрямую связан с тягой, отзывчивостью и тем, как он «цепляется» за воздух. Большой пропеллер будет проталкивать собой больше воздуха и будет тратить много энергии для вращения. Он будет затягивать изменение скорости вращения двигателей, потому что большой и тяжелый.

Пропеллеры малого размера быстрее реагируют на изменение скорости вращения двигателей. Они проталкивают через себя меньше воздуха, соответственно тратят меньше энергии при изменении скорости вращения. Небольшие пропеллеры ставят на гоночные квадрокоптеры, чтобы очень быстро менять скорость вращения двигателей, совершать быстрые падения, которые не получатся на больших пропеллерах из-за планирования и для быстрого изменения направления полета.

Пропеллеры должны соответствовать двигателям, потому что, если мы поставим 3-дюймовые пропеллеры на двигатель, который рассчитан на 5 дюймовые пропеллеры, то это приведет к чрезвычайно высоким оборотам и большому потреблению энергии из-за маленькой нагрузки от пропеллеров, при этом тяга будет небольшая.

Наиболее популярным пропеллером считается 5-дюймовы пропеллер, для которого подходят двигатели в диапазоне размеров 2204-2307.

Какие кнопки есть на пульте управления syma x5c

• Левый и правый стики (джойстики);
• Переключение режимов (слева от левого стика);
• Поворот на 360 градусов (справа наверху);
• Переключатель «вперед-назад» (слева от правого стика);
• Переключатель режимов (под правым стиком);
• Кнопка «вкл-выкл» (в центре, над дисплеем).

Здравствуй, пилот! Калибровка квадрокоптера, или его триммирование, как ты, наверное, уже знаешь, важный этап его создания и использования. Бывает, что аппарат начинает вести себя не так, как ты этого хочешь. Это нужно срочно исправлять, и сегодня я расскажу тебе как это сделать. Располагайся поудобнее, погнали!

Так как это достаточно трудоёмкий процесс, пусть и простой, то будь готов к тому, что ты зависнешь на этом на несколько часов. (сложно будет особенно начинающим пилотам) Конечно, если ты хочешь добиться хорошего результата. Для начала нужно чётко понять с какой именно осью у тебя проблемы. Не иди методом научного тыка, он здесь не поможет.

Квадрик в полёте может вести себя неадекватно. Например, устройство может кренится в одну из сторон или вращаться вокруг своей оси. Здесь на помощь и приходит триммирование квадрокоптера. Она позволяет скорректировать поведение коптера через настройку контроллера.

Калибровка каждого регулятора

1. Подключите один из регуляторов к приемнику на канал газа (обычно 3й канал).2. Включите аппаратуру и установите уровень газа на максимум.3. Подключите аккумулятор к коптеру.4. Необходимо дождаться, чтобы регуляторы проиграли мелодию. После двух сигналов резко сбросить газ на минимум.5.

Сейчас вы должны услышать сигналы, по количеству соответствующие подключенной батарее (3 раза для 3S батареи, 4 раза для 4S батареи и т.д.), затем длинный сигнал от регуляторов, означающий, что обнаружен минимальный уровень газа и что калибровка завершена.

Можно попытаться слегка повысить газ, чтобы запустить мотор.6. Отключите батарею. Повторите шаги 1-5 для оставшихся регуляторов.7. Если процесс пошел не так, то необходимо убедиться, что аппаратура выдает сигнал без реверса. По необходимости сделайте в аппаратуре реверс канала газа.

• Многие регуляторы при включении с высоким уровнем газа входят в режим программирования. Уровень сигнала запоминается как максимальный. При перемещении стика газа с минимальное положение уровень сигнала запоминается как минимальный.
• Если после калибровки моторы не начинают вращаться одновременно или вращаются с разной скоростью, то калибровку необходимо повторить.
• Если не получается выполнить калибровку с использованием контроллера APM, то выполните ее вручную (вторым способом) для каждого регулятора.
• Для некоторых регуляторов процедура калибровки отличается. Читайте документацию по регулятору.
• Для более точной калибровки можно подключить все регуляторы одновременно к приемнику. В этом случае будет исключено влияние «плавания» сигнала аппаратуры.

Калибровка пид

Для углов

Хотя такой подход не самый эффективный (мы не знаем «срок годности» коэффициентов количественно и считаем их константами), на практике задача стабилизации коптера в полёте была нами решена. Правда, возникла проблема с управлением, но об этом позднее.

Конфигурация пропеллеров

Пропеллеры бывают:

• 2-лопастные;
• 3-лопастные;
• 4-лопастные;
• 5-лопастные.

Конфигурация пропеллера это то, сколько лопастей у пропеллера. Самым эффективным будет однолопастной пропеллер, но его физически нельзя использовать из-за дисбаланса.

Увеличение числа лопастей компенсирует размер пропеллера, особенно в микросборках, ведь если на маленький дрон на раме 100 мм поставить 2-лопастные пропеллеры, он вряд ли будет адекватно летать и это приведет к большим оборотам двигателей и их перегреву. Именно поэтому в микросборках всегда 4-лопастные пропеллеры, а в дронах чуть больше — 3-лопастные.

Из-за сложной физики и аэродинамики увеличение количества лопастей не так эффективно, как увеличение размера. Винт с удвоенным количеством лопастей не будет работать так же хорошо, как винт с удвоенным размером, но он обеспечивает большую тягу за счет большей мощности.

Увеличение количества лопастей приведет к увеличению тяги и сцепления в воздухе за счет отзывчивости и увеличения потребляемой энергии. Если проектируется дрон, на котором вы будете совершать много постоянных и резких изменений направления в полете, то нужны пропеллеры с увеличенным количеством лопастей.

Меньшее количество лопастей предпочтительнее, если требуется более быстрый отклик двигателя, а тяга не так важна. Серьезные гонщики с современными сверхлегкими гоночными рамами довольно часто используют 2-лопастные пропеллеры, потому что рама настолько легкая, что требуемая тяга намного меньше, и, следовательно, может быть реализован более быстрый отклик легких и менее «тянущих» пропеллеров.

В наиболее распространенной категории 5 дюймовых пропеллеров принято считать, что пропеллеры с тремя лопастями обеспечивают наилучший баланс эффективности, тяги и сцепления.

Есть один момент, который многие упускают из вида — это долговечность. Во время полетов, особенно если пилот начинающий, будет очень много аварий и падений, поэтому пропеллеры станут расходным материалом. Но если использовать 2-лопастные пропеллеры, то ломаться они будут меньше.

Материал пропеллеров

Чаще всего в магазинах вы покупаете пропеллеры из поликарбоната, он пластичный и прочный. Еще есть пропеллеры из АБС-пластика, это тоже очень прочный пластик, но более хрупкий. Отличие от поликарбонатных пропеллеров в том, что при ударе лопасть из АБС-пластика скорее всего сломается, а из поликарбоната просто погнется, причем эту лопасть можно выпрямить, но это чревато возникновением вибрации из-за нарушенной балансировки.

Есть еще пропеллеры из пластика, который армирован стекловолокном, это очень жесткие пропеллеры, но в тоже время при сильном ударе ломаются.

Выбор материала пропеллеров зависит и от времени года. Пластмассы для пропеллеров термопластичны, то есть, их жесткость и пластичность зависит от температуры. Если вы летаете зимой, то лучше ставить пропеллеры из АБС-пластика, так как поликарбонат на холоде дубеет и становится хрупким.

Универсальными пропеллерами считаются пропеллеры из поликарбоната.

Как отличить поликарбонатный пропеллер от АБС-пластика? Первый относительно прозрачный, второй совсем нет:

Матчасть

Определим невязку — разницу между требуемым и реальным значением некоторой величины:

 — требуемое значение величины (угол с джойстика),

 — текущее значение величины (угол с датчика).

Зададим момент сил для угла

где

 — пропорциональная,

 — интегральная,

 — дифференциальная составляющие.

Знак минус говорит о том, что при положительных

воздействие направлено против отклонения.

В чём смысл этой формулы? Напишем уравнение динамики, положив

 — момент инерции.

Для простоты уберём интегральную составляющую (

где

Т. е. чем больше пропорциональная составляющая, тем более «резкой» будет реакция на воздействие (больше амплитуда). Чем больше дифференциальная составляющая, тем быстрее будет происходить затухание (больше декремент).

Из модели затухающих колебаний получаем выражение для коэффициента затухания:

Из возможных решений уравнения нам подходит режим, близкий к критическому (граница апериодичности,

) — нет отрицательного «перелёта» графика, переходный процесс короткий. Как видно, критический режим задается всего одним соотношением на коэффициенты ПИД-регулятора.

Интегральная составляющая устраняет статическую ошибку. Пусть невязка

Более подробный анализ уравнения ПИД-регулятора можно найти в других статьях: раз, два.

Настройка pid квадрокоптера

Перед настройкой:

• Всегда настраивайте свой квадрокоптер в режиме АКРО (ACRO)!
• Убедитесь, что центр тяжести находится прямо посередине, так как центр тяжести оказывает значительное влияние на то, как хорошо будет летать ваш дрон.

Нет правильного или неправильного способа настройки PID, все, что хорошо работает для вас — и есть правильная настройка. PID настраиваются индивидуально под каждого пилота.

Обычно я всегда начинаю летать на стандартных настройках, а настройки в прошивках Betaflight и KISS хорошо работают для большинства квадрокоптеров.

Когда я летаю и замечаю какое-нибудь нежелательное поведение, я настраиваю конкретное значение и снова проверяю в полете. Если у квадрокоптера много вибраций, можно поиграть со значением PID, предварительно уменьшив все значения до половины или более, чтобы убедиться, что они не слишком высоки для начала.

Каждый раз, когда изменяете значения ПИД, задавайтесь вопросом: «Стало лучше или хуже». Найдите значение, на котором характеристика полета будет наилучшей.

За один раз настраивайте одну ось, сначала крен, потом высоту и затем рыскание. На каждой оси я настраиваю одно значение за раз, начиная с коэффициента усиления P, затем усиления D и, наконец I. Также вам нужно будет постоянно возвращаться к тонкой настройке, потому что одно значение может влиять на другое.

О нас

Мы — студенты МФТИ (в своём большинстве), которые в свободное время занимаются проектом на мастерской TechnoWorks. Кроме коптера у нас живут и другие проекты: железные и программные. О них мы расскажем как-нибудь потом. А еще у нас можно придумать и реализовать свою идею (а мы поможем найти людей).

Если есть желание присоединиться к нашей команде, свяжитесь с нами! Мастерская активно расширяется, для новых участников у нас полно творческой и технической работы. И печенек.

Первая авария

Слишком большая дифференциальная составляющая на практике приводит к автоколебаниям, чего не должно быть в теории. Почему? Уберём все составляющие, кроме дифференциальной, и решим уравнение:

т. е. величина

превращается в линейную комбинацию

и её производной. То же самое происходит с моментом сил, который также является гармонической функцией в этом примере. При определенных

коэффициенты линейной комбинации могут быть такими, что возникнут незатухающие автоколебания.

Также результат работы составляющих ПИД приходится ограничивать по модулю. Иначе значение

Компромиссом является установка не слишком маленьких коэффициентов в совокупности с введением ограничения сверху на все три составляющие: пропорциональную, интегральную и дифференциальную.

Стоит сказать, что реальная коррекция в почти горизонтальном положении — около 1–2 попугаев процентов мощности моторов (полётная мощность около 60%).

Рассмотрим решение уравнения второго порядка (1), которое в одном из случаев является затухающей синусоидой.

На практике действительно получается что-то похожее (пример справа). Для демонстрации коэффициенты специально ухудшены для увеличения времени затухания. Оригинальную прошивку ESC пришлось заменить, т. к. она вносила существенную задержку, из-за которой математическая модель плохо описывала реальную систему.

Поскольку

Проводка

Теперь пришло время перейти к проводке. Из четырех регуляторов скорости нужно спаять «паука», припаяв провода прямо в гнезда переходников.

Согласно номерам моторов на плате, подключаем сигнальные провода драйверов. Если используется «плюсовая» схема полета, подключать их нужно к штырям М1-М4 (когда научитесь управлять, прошивку можно изменить).

Схема подключения приводится ниже:

В результате получится такой квадрокоптер, сделанный своими руками, весом один килограмм. Можно проводить тестовый полет.

Но, прежде, необходимо зарядить батарею, подключить ее и передатчик. Теперь время нажать вправо и вниз ручку газа. На плате должен загореться красным цветом СИД. Следующий момент – ручка газа передвинута вперед. Двигатели должны заработать, а квадрокопрет «отправиться» в полет.

Программное обеспечение

На рисунке приведена упрощённая блок-схема программы, исполняемой на контроллере платы стабилизации. Главной частью является цикл. Если хотя бы одно действие в нём не выполняется вовремя, частота перестаёт быть постоянной, и стабилизация работает неверно.

В качестве динамического датчика мы использовали MPU-6050 из-за его вычислительных возможностей. Встроенный процессор (DMP) способен частично обрабатывать данные с датчиков, что позволяет разгрузить центральный контроллер. Но оказалось, что надёжных библиотек для работы с этим устройством под Arduino не существует.

Решение jrowberg’а привело к проблемам при использовании на сильно загруженном микроконтроллере. Код в примере опирается на синхронность считывания данных. FIFO-буфер датчика, в который записываются посчитанные величины, переполняется в случае несвоевременного считывания.

Поскольку всегда считывается первый элемент из FIFO, то при частичной заполненности появляется задержка между помещением новых данных в FIFO и их обработкой на Arduino. В свою очередь, эта задержка приводит к возникновению автоколебаний. При переполнении буфер приходится очищать:

его размер 1024, что не делится на 42 — размер пакета. Поэтому, когда буфер переполняется, в начале FIFO находится часть какого-то постороннего пакета. Иными словами, начиная с определенного момента структура нарушается: начало FIFO не совпадает с началом пакета, и считать корректные данные невозможно.

Сборка железа и его настройка

Если все, описанное выше, у вас имеется, то вполне можно начинать процессы сверления, паяния и скручивания. Раму можно делать так же, как было описано ранее, а можно проявить фантазию. Но тут важен лишь один момент: следите, чтобы расстояние от центра до концов лучей было абсолютно одинаковым, при этом пропеллеры во время вращения не должны задевать друг друга и центральную часть из фанеры, так как на ней размещаются все датчики, мозги, а также камера, если вы пожелаете.

Установку датчиков следует производить на толстый скотч, резину или силикон, чтобы уменьшить вибрацию. В середине или на концах лучей можно закрепить пенопласт, плотный поролон или резиновые маячки, которые возьмут на себя функции шасси в момент приземления.

Сборка из комплекта

Обзаводясь соответствующим комплектом, можно значительно упростить процесс сборки своими руками ЛА.

О сбалансированности, влияющей на поведение квадрокоптера в полете, тоже не стоит беспокоиться – всеми необходимыми параметрами, в том числе запланированной скоростью и временем нахождения в полете он обладать будет.

Комплекты позволяют собирать разборные и монолитные дроны своими руками. Тут решать пилоту, какую он желает иметь конструкцию. Разборными интересуются те, кто предпочитает модели габаритные, но и одновременно легко переносимые.

Как собрать подобную конструкцию своими руками, подробно описано в прилагаемой инструкции.

Как правило, начинается все с установки на пластиковый, карбоновый или металлический экзоскелет моторов. Затем размещаются PIN-кабели, регулирующие мощность моторов. Позже крепят на корпус приемник сигналов и управляющий модуль – мозговой центр.

На завершающей стадии устанавливают светодиоды, фиксаторы, аккумуляторы.

Сборка на этом заканчивается, но начинается самое интересное – прошивка, калибровка устройства и тонкая настройка, занимающая от 30 минут до 3 часов (в зависимости от производителя входящих в комплект деталей). К этому моменту аккумулятор должен быть полностью заряженным.

Схема установки пропеллеров

Прежде, чем устанавливать пропеллеры на квадрокоптер, вам нужно узнать, в правильную ли сторону будут крутиться моторы. Большинство квадрокоптеров летает на конфигурации Multiwii, выглядит она вот так:

Красная стрелка — это направление, куда будет лететь квадрокоптер, то есть вперед. Желтые стрелки — направление вращения пропеллеров. Можно легко запомнить в какую сторону какой двигатель крутится: два передних мотора крутятся в сторону камеры, а два задних мотора крутятся от камеры (передние внутрь, задние наружу).

Телеметрия

Дистанционное управление реализовано в двух режимах (для обеспечения более гибкого процесса разработки):

1. С помощью модулей xBee Pro в конфигурации «коптер  ПК».
2. С помощью выделенной радиочастоты (2.4ГГц) в конфигурации «пульт ДУ ↦ коптер».

Помимо управления через пульт ДУ происходит пересылка критических данных между коптером и ПК в режиме реального времени, для чего используются xBee Pro и приложение собственной разработки (см. скриншот). На компьютере можно видеть значение углов и угловой скорости, напряжение на аккумуляторе, мощность двигателей.

Данные, пересылаемые между коптером и ПК:

• ПК ↦ Коптер: канал управления (ПК/пульт ДУ), мощность моторов, настройка для включения/выключения стабилизации, коэффициенты ПИД и ограничения;
• Коптер ↦ ПК: углы, угловая скорость, компоненты , , , данные с джойстика (мощность 3 угла), мощности моторов, напряжение на аккумуляторе.

Благодаря датчику от InvenSense, начальная обработка данных с датчиков происходит на встроенном процессоре (DMP). Мы разгружаем плату стабилизации, которая может использовать в качестве вычислителя даже маломощный AVR-микроконтроллер.

Триммирование квадрокоптера

Простые правила:

• По рудеру. Если коптер кренится в правую сторону, то нужно триммировать влево. И наоборот;
• По тангажу. Видите, что дрон при полете кивает вперед, триммируйте назад. Кренит назад — триммируйте вперед.

Попробуйте сделать «флип» — 360-градусный разворот коптера по любому из четырех основных направлений. Для этого нажимаем одновременно верхнюю кнопку, и тянем правый стик в необходимую сторону.

При триммировании важно помнить, что у разработчиками предусмотрена два режима расхода энергии (высокий — высокие обороты, низкий — слабые). В зависимости от того, как планируете использовать дрон, проверьте качество работы коптера на данных режимах

Часто во время калибровки Syma X5C возникает проблема с неправильной установкой лопастей. Моторы могут функционировать на 100% верно, а пропеллер не крутится. В данном случае необходимо учитывать схему сборки и инструкцию, которые прилагаются к устройству.

Усиление d

D работает как демпфер (глушитель, гаситель) и уменьшает чрезмерную коррекцию и регулирование коэффициента P. Увеличивая значение D, вы смягчаете воздействие Р, как бы добавляя «пружину» и также минимизирует вибрацию пропеллеров.

Если D будет слишком маленьким, то дрон будет как бы «отскакивать» назад в конце флипов и кренов, а также у вас будет сильная вибрация, вызванная вертикальным снижением.

Слишком большое значение тоже приводит к вибрациям. В попытке стабилизировать квадркоптер, полетный контроллер будет командовать регуляторам оборотов, чтобы те то прибавляли обороты двигателям, то уменьшали с такой скоростью (в смысле быстрее-медленнее), что из-за этого двигатели перегреются и сгорят. Вибрация также будет действовать на контроллер полета и со временем ситуация будет ухудшаться.

Еще одним побочным эффектом от D является то, что квадрокоптер становится «мягким», то есть реакция на команды слишком вялая.

Усиление i

Значение I определяет, насколько сильно он будет поддерживать квадрокоптер при воздействии внешних факторов, таких как ветер и смещение центра тяжести, например.

Это настройка жесткости при поворотах квадрокоптера.

Обычно, настройки по умолчанию вполне хорошо справляются с этим, но если вы заметили некоторый дрейф дрона без вашей команды, то увеличьте немного значение I. Если значение будет слишком низкое, вам часто придется исправлять траекторию полета дроном, особенно, если вы часто меняете уровень газа.

Если значение I будет слишком высокое, то поведение квадрокоптера будет «деревянным», он будет слабо реагировать на ваши изменения положения стика на пульте. Никакие регуляторы оборотов, двигатели и пропеллеры не одинаковы, каждый на какую-то часть, но работает по-своему, поэтому когда вы даете резкий газ, а потом резко опускаете стик газа, один двигатель будет останавливаться быстрее другого и наоборот, все это вызывает провалы в положении квадрокоптера в воздухе, один двигатель еще имеет тягу, а другой уже нет.

Таким образом, I используется для исправления таких мелких проблем.

Усиление p

P определяет, насколько жестко контроллер полета исправляет погрешности, чтобы достичь желаемой траектории полета. Этот параметр регулирует чувствительность и отзывчивость на изменения положения стиков. Чем выше это число, тем выше чувствительность и отзывчивость.

Более высокий коэффициент Р, означает более четкое управление, в то время как низкий Р — более мягкое и плавное управление. Но если это значение слишком большое, дрон станет слишком чувствительным и начнет сам себя корректировать, а также начнутся колебания значений положения стиков.

Можно снизить P, чтобы уменьшить колебания, но тогда дрон будет нечетко выполнять ваши команды, поэтому нужно будет поиграть с I и D, чтобы это компенсировать.

Шаг пропеллера

Шаг — это угол наклона каждой лопасти пропеллера.

Шаг это то расстояние, которое пройдет пропеллер вверх за 1 оборот в идеальных условиях.

Высокий шаг приводит к большей тяге и максимальной конечной скорости, но маленькому крутящему моменту на низких скоростях. Для сравнения представьте пятую скорость в автомобиле, здесь тоже самое, тронуться на 5 передаче вы не сможете, а вот развить еще большею скорость уже будучи на ней — да.

Пропеллер с большим шагом будет медленно реагировать на газ, потреблять больше энергии и будет максимально эффективным на больших оборотах.

Высокий шаг применяется в пропеллерах для съемочных квадрокоптеров.

Низкий шаг обеспечивает большой крутящий момент на малых оборотах, но у него небольшая тяга и максимальная конечная скорость. В автомобиле это первая и вторая передачи. Двигатель с таким пропеллером будет быстро реагировать на изменение уровня газа, дрон будет очень отзывчивым.

Низкий шаг применяется в пропеллерах для гоночных дронов (мини и микро).

Идеальными пропеллерами для гоночных мини квадрокоптеров считаются пропеллеры с шагом от 4 до 4,5 дюймов, они сочетают в себе хорошую чувствительность, крутящий момент, максимальную скорость и тягу.

Итоги

Главное достижение — отличная команда энтузиастов, способных работать над сложными робототехническими проектами. Мы верим, что всё дело в творческом подходе, возможности для самореализации, а также бесценном практическом опыте, которого всегда не хватает.

Мы создали новый проект системы стабилизации для мультикоптеров. Сейчас мы можем пилотировать квадрокоптер на открытом пространстве. Такие внешние факторы, как ветер, дождь и снег компенсируются автоматически благодаря ПИД-регулятору.

В настоящий момент мы усовершенствуем то, что сделали, и разрабатываем новые функции автоматизации.

Рекомендации по выбору пропеллеров и заключение

Рекомендации на основе классических пропеллеров 5045.

Для поиска других пропеллеров опирайтесь на таблицы ваших двигателей, там будет указан размер и шаг (4 цифры), а если такой не нашлось у продавца, найдите другого или лучше выберите другие двигатели, так как отсутствие таких данных говорит о низком качестве.

Наиболее зарекомендованные бренды это LDARC (они же KINGKONG), HQProp и Dalprop. Не покупайте самые дешевые пропеллеры, так как качество и балансировка часто низкого качества, только если для тестов, чтобы убедиться в качестве дорогих.

На Banggood цена в пересчете на количество получается дешевле.