Пояснення щодо PID для FPV дронів - покращення польотних характеристик за допомогою налаштування PID

[Magshifter]

Це вичитаний людьми машинний український переклад оригіналу. Для VictoryDrones переклад вичитали: Block(chain), Oleg
Оригінал статті - FPV Drone PID Explained – Mastering Flight Performance through PID Tuning | Оновлення від 12 липня 2019 року
Редакція команди fpvua.org
Повний перелік перекладених статей на Українську мову дивіться тут!​

​

Розуміння того, як працює PID [прим. пер. пропорційно-інтегрально-диференціальний регулятор, рідше — PID-контролер], є життєво-важливим аспектом розкриття справжнього потенціалу вашого FPV-дрона. У цьому посібнику ми зануримося у світ налаштуваннь PID, досліджуючи, як він впливає на характеристики польоту, стабільність і керованість вашого дрона. Дізнайтеся про тонкощі «P» [proportional — пропорційний], «I» [integral — інтегральний] та «D» [derivative — диференціальний], а також про те, як вони впливають на характеристики польоту вашого FPV-дрона. Ми також розповімо про те, коли потрібно повторно налаштувати параметри PID, і надамо уявлення про різні фактори, які впливають на налаштування.

[Також див. «довгу перекладацьку нотатку» від пана Олега (котрий робив peer review цього документа.]

Налаштування PID і пресети Betaflight​

Використання попередніх налаштувань (пресетів) Betaflight [прим. пер.: найбільш поширена програма для конфігурування польотного контролера та усієї периферії до нього — VTX, барометра, GPS, тощо; навіть OSD окулярів] може бути зручним варіантом та (іноді) може відразу дати результати. Особливо це актуально для початківців і тих, хто літає на п’ятидюймових «фрістайл» або гоночних квадріках. Пресети дозволяють тонші налаштування, ніж Betaflight Default (у більшості випадків), забезпечуючи хороші результати для більшості ситуацій. Вони добре підходять для пілотів, які віддають перевагу плавному та приємному польоту, і не люблять заглиблюватись у тонкощі налаштування PID. Якщо ви задоволені динамікою свого дрона і не відчуваєте потреби копати глибше — то дотримуючись попередніх налаштувань, ви можете заощадити час і зусилля. Дізнайтеся про пресети Betaflight тут: https://oscarliang.com/betaflight-presets/

Однак пресети не завжди працюють на всіх квадриках, оскільки кожен дрон різний. І коли ви виходите «за рамки» [прим. пер.: фігурально, тут вийшов каламбур, англ. «to venture beyond the realm» — це укр. «вийти за межі»] п’ятидюймових дронів або досліджуєте різні типи безпілотників, наприклад: «дальнобійні» чи більші або менші за 5-дюймові рами, ви можете зіткнутися з труднощами під час пошуку пресетів, які працюють оптимально. У таких випадках вам може знадобитися самостійно налаштувати PID. Знання того, як налаштувати PID, також дає змогу вирішувати конкретні проблеми, такі як «prop wash» [завихрення від пропелерів при різких стрибках потужності] або «перельоти» [overshoots] дрона при різких змінах напрямків руху, які не можуть вирішити пресети Betaflight.

Тонке мистецтво налаштування PID​

Щоб навчитися балансувати різні характеристики польоту для досягнення ідеального рішення із урахуванням вашого особистого стилю пілотування, потрібен час, терпіння та практика.

Незалежно від того, чи хочете ви, аби ваш дрон був прудким без зайвих вібрацій або плавно відгукувався на рухи стіка пульта без відчуття млявості — секрет полягає у пошуці ідеального балансу.



На початку FPV-руху прошивка польотного контролера була менш досконалою, оскільки FPV-дрони погано працювали зі значеннями PID за замовчуванням. Це зробило налаштування PID-регулятора абсолютною необхідністю. Менш із тим, завдяки вдосконаленню фільтрації шуму та поступовій оптимізації алгоритмів у сучасному програмному забезпеченні польотного контролера, квадрокоптери тепер можуть досить добре літати і з налаштуваннями за замовчуванням.
Хоча зазначені вдосконалення жодним чином не знецінюють важливість налаштування PID, вони зробили цей крок менш критичним для базового польоту. Але завжди є місце для вдосконалення, а отже індивідуальні побажання щодо керованості дрона та характеристик польоту мають свої нюанси. Освоєння налаштування PID дозволить вам перетворити дрон, який «добре літає», на дрон, який «літає ідеально» відповідно до вашого унікального стилю.

Розуміння PID-регулятора у дронах FPV​

PID-регулятор є алгоритмом у межах програмного забезпечення польотного контролера. Він зчитує дані з датчиків і обробляє команди пульта керування і розраховує необхідну швидкість моторів для досягнення бажаної частоти їх обертання.

Є кілька ключових термінів, з якими ви повинні ознайомитися, перш ніж глибше заглиблюватися в цю статтю: задане значення [setpoint], відхилення від заданого значення [error], цикл керування [control loop] та час циклу [looptime].

Бажана швидкість обертання називається «заданим значеням». «Відхилення від заданого значення» — це різниця між заданим значенням (як швидко ми хочемо, щоб дрон обертався) і вимірюваннями гіроскопічного датчика (як швидко дрон насправді обертається).

Основна мета PID-регулятора в дроні FPV — виправити «похибку», регулюючи швидкість мотора. Цикл керування безперервно зчитує дані датчиків і розраховує швидкість двигуна, щоб мінімізувати помилку. Betaflight може виконувати до 8000 циклів керування в секунду (встановлюючи в програмному забезпеченні частоту циклу PID на 8 кГц).



[Прим. пер.: схема Оскара має суперечливий із точки зору логіки побудови діаграм момент, оскільки актуатор (мотор) є частиною квадрокоптера, відповідно — квадратик «Актуатор» це ESC - електронний контроллер швидкості в квадрокоптері]

Алгоритм PID є важливою частиною системи керування. У PID-регуляторі є три характеристики: пропорційна (P), інтегральна (I) і диференціальна (D).

1. P (пропорційна) стосується поточного відхилення від бажаного. Чим більше відхилення, тим сильніше вона «натискає» [прим. пер.: «відхилення», а так само і її «натискання» не є чимось поганим. «Відхиленням» є різниця між сигналом з пульта і тим, що квадріку вдалось зробити в реальності - за інформацією від гіроскопу] — математично кажучи, цей коефіцієнт множиться на похибку.
2. I (інтегральна) накопичує та враховує минулі похибки. Ця характеристика враховує зовнішні сили, які накопичуються із часом, наприклад коли дрон відхиляється від заданого значення через вітер або погано відцентровану раму, регулюючи швидкість двигуна, щоб протидіяти цьому – математично кажучи, це інтеграл похибки - або сумарна похибка за декілька вимірювань.
3. D (диференціальна — англ.: derivative, це швидкість відхилення) передбачає майбутню помилку. PID-регулятор враховує, як швидко наближається до заданого значення, і нейтралізує P, щоб мінімізувати перевищення при наближенні до цілі – математично кажучи, це похідна похибки.

Користувачі можуть призначати коефіцієнт посилення для кожної характеристки. При цьому, більші коефіцієнти посилення збільшують вплив кожної із характеристик на загальні характеристики польоту.
Ці принципи застосовуються до будь-якої прошивки польотного контролера, яка використовує PID-регулятори, наприклад Betaflight, Ardupilot, KISS, iNAV, Cleanflight, EmuFlight, Baseflight, тощо.

Мета налаштування PID​

Уявіть собі, що ви намагаєтесь закинути м’яч для гольфу у лунку (задане значення). Кожного разу, коли ви вдаряєте по м’ячу, він може перелітати або недолітати до цілі. Менш із тим, з кожною спробою він стає ближчим до неї [прим. пер.: якщо ви хоч трохи вправні у гольфі і не буцаєте м’яча намірено в інший бік. Українцям, імовірно, буде зрозуміліша аналогія із більярдом]. Ви продовжуєте, доки м’яч не досягне лунки.

Метою налаштування PID є досягнення ідеального удару, який якнайшвидше надішле м’яч до лунки. Якщо його правильно налаштувати, ваш дрон точно відстежуватиме свої рухи, забезпечуючи пряме та чуйне відчуття без «стрибків» і вібрацій.

Вплив характеристик PID​

Налаштування підсилення PID впливає на поведінку квадрокоптера у польоті. Хоча розуміти внутрішню роботу PID не обов’язково, дуже важливо знати, як зміна цих характеристик впливає на продуктивність вашого дрона.

Підсилення «Пропорційності» [P Gain]​

Підсилення «P» визначає інтенсивність, із якою польотний контролер працює над виправленням помилок. Вважайте підсилення «П» параметром чутливості. Високе підсилення «P» створює миттєвий відгук дрона, надаючи відчуття, ніби керованість вашого дрона зросла.

Якщо підсилення «P» надто високе, квадрокоптер може мати надмірну корекцію руху, що призводить до різких «відскоків» під час сальто та акробатичних вправ.

Надмірно високе підсилення «P» може навіть викликати вібрації та «стрибки». І навпаки, коли «P» підсилення занизьке, квадрокоптер є погано керованим та мляво реагує на сигнали управління.

Підсилення «Інтегральності» [I Gain]​

Підсилення «І» визначає зусилля польотного контролера, щоб зберегти положення дрона під впливом зовнішніх сил, таких як вітер і погане центрування центру ваги [CG — center of gravity]. Підсилення «I» можна сприймати як параметр «жорсткості», який впливає на те, наскільки добре квадрокоптер тримає своє положення. Збільшення підсилення «I» покращує відстеження заданих точок під час різких поворотів, але також і робить входження у поворот різкішим.

Подібно до підсилення «P», надмірне підсилення «І» може спричинити відскоки та коливання, хоча й із помітно нижчою швидкістю (менш частотні). Якщо підсилення «І» занизьке, ваш дрон вібруватиме, «стрибатиме» та «клюватиме носом» під час швидкої зміни тяги [trottle]. Надзвичайно низьке підсилення «I» призводить до поганого утримання курсу під час вітру. У цьому разі дрон «мотилятиметься» у повітрі, вимаючи постійного втручання пілота для коригування.

Підсилення «Диференційності — прискорення» [D Gain]​

Підсилення «D» діє як демпфер (пом’якшувач) для підсилення «P», зменшуючи перельоти. Подібно до того, як амортизатор авто гасить «стрибки» підвіски, підсилення «D» пом’якшує та протидіє коливанням, спричиненим надмірним підсиленням «P», і мінімізує завихрення від пропелерів при різких стрибках потужності [prop wash] — і пов’язане коливання дрону .

Коли підсилення «D» занизьке, квадрокоптер здійснюватиме значні «відскоки» після сальто та кренів і відчуватиме істотніший prop wash під час різкого зниження.
Збільшення підсилення «D» може пом’якшити ці проблеми. Однак надмірне підсилення «D» може посилити вібрацію та шум у квадрокоптері, спричиняючи різкі коливання та перегрів моторів. Окрема публікація пояснює, чому надмірне посилення D може призвести до вібрації дрона: https://oscarliang.com/excessive-d-gain-cause-oscillations-motor-overheat/

Предиктивний зворотний зв’язок​

Підсилення «П» є основним інструментом контролю дрона, але воно часто недостатньо швидке, оскільки реагує лише на помилки, створюючи затримку між заданим значенням і гіроскопом.

Предиктивний зворотний зв’язок [feedforward] має на меті зменшити цю затримку. По суті, польотний контролер спостерігає, як швидко ви рухаєте стік пульта, і допомагає почати реакцію дрона раніше, ще до того як надійдуть дані із гіроскопа. Це може значно покращити проходження заданих значень (сетпоінтів). Однак встановлення надто високого рівня предиктивного зворотного зв’язку може призвести до відскоку дрона після виконання сальто та акробатичних вправ, подібно до ситуації, яка виникає у випадку надмірного посилення «П». [Умовно, контроллер думатиме що відхилення буде великим, хоча насправді ви рухаєте стіком повільно і дрон встигає за вами]

Фактори, що впливають на оптимальний PID​

Кожен квадрокоптер матиме унікальні оптимальні значення PID, на які впливають різні фактори, зокрема:

1. Загальна вага та розподіл ваги.
2. Співвідношення тяги до ваги.
3. Крутний момент двигуна, як швидко він може мінятись.
4. Вага та крок пропеллера, що впливає на реакцію двигуна.

Жодне налаштування PID не є універсально ідеальним. Наприклад, аварії можуть трохи пошкодити гвинти, рами або двигуни, змінюючи резонансну частоту [дрона] та оптимальні значення PID. Крім того, розміщення батареї може вплинути на розподіл маси. В ідеалі, ви маєте точно налаштувати параметри PID так, аби вони відповідали широкому діапазону ситуацій. [Але так ніхто не робить]

Запобіжні заходи перед налаштуванням PID​

Перш ніж почати вносити будь-які зміни до налаштувань PID, виконайте наступні дії, аби забезпечити собі спокій у процесі налаштування:

1. Здійсніть резервне копіювання ваших поточних значень PID. Це дозволить вам повернутися до попередніх налаштувань, якщо щось піде не так під час процесу налаштування. І вам буде з чим порівняти нові налаштування, якщо ви будете не впевнені в фінальному результаті!
2. Завжди налаштовуйте свій дрон в режимі «Акро»: це забезпечує точне налаштування без втручання від функцій автоматичного вирівнювання.

Збалансуйте центр ваги (CG) вашого квадрокоптера: правильний вибір CG істотно впливає на ефективність польоту. Відрегулюйте розташування батареї, щоб перемістити CG вперед або назад, доки він не опиниться там де треба [прим. пер.: по центру, кеп].

Спрощений процес налаштування​

Щоб отримати більш детальну інформацію, зверніться до мого посібника з налаштування FPV-дрона у 10 кроків без використання Blackbox
Основна ідея цього спрощеного процесу налаштування полягає в тому, щоб знайти оптимальне співвідношення між підсиленнями «P», «I» та «D». Цього можна досягти, виконавши такі кроки:

1. Знайдіть хороший баланс між підсиленням «P» і «D».
2. Визначте правильне співвідношення між підсиленнями «P» і «I».
3. Збільште всі підсилення PID.

Ви можете легко налаштувати ці параметри за допомогою повзунків у Betaflight, усуваючи потребу вводити числа вручну. Хоча ідеально налаштовувати значення PID за допомогою логів Blackbox, все ж можна досягти гідних результатів, уважно спостерігаючи за поведінкою вашого дрона в польоті через окуляри FPV і «слухаючи» звук моторів. Але якщо ви хочете максимально досконало налаштувати свій коптер, скористайтеся Blackbox: Як налаштувати фільтри та PID для FPV дронів за допомогою Blackbox (Посібник з PIDToolBox та Blackbox Explorer)https://oscarliang.com/pid-filter-tuning-blackbox/

Пам’ятайте — не кожна проблема дрона пов’язана із PID-регулятором​

Хоча налаштування PID відіграє значну роль у продуктивності вашого квадрокоптера, важливо розуміти, що апаратні фактори також можуть впливати на це. Перш ніж шукати проблеми із продуктивністю у значеннях PID, перевірте наступні налаштування вашого дрона.

Вібрація​

Не вся «желейність» камери дрона та вібрації викликані занадто високими коефіцієнтами ПІД. Дуже важливо усунути якомога більше джерел вібрації у вашому квадрокоптері перед налаштуванням ПІД. Фактори, що сприяють вібрації, включають справність моторів та пропеллерів, правильне «м'яке» кріплення польотних контролерів [впливає на гіроскопи], і жорсткість самої рами.

Центр ваги​

В ідеалі, центр ваги CG вашого квадрокоптера має знаходитися прямо посередині прямих ліній, якими можна з’єднати двигуни вашого квадрокоптера у горизонтальній площині, і якомога ближче до лінії пропеллерів у вертикальній площині. Погано центрований дрон змушує одні двигуни працювати інтенсивніше, ніж інші. Це негативно впливає на стабільність польоту.

Розподіл маси та момент інерції​

FPV-дрони із відцентрованою масою зазвичай більш точні, прудкі та чуйні. Коли багато маси знаходиться вдалині від центру, потрібно більше тяги для обертання та для прискорення до бажаної швидкості. Через більшу кутову масу та інерцію зупинити обертання також стає складніше.

Коли повторно налаштовувати PID?​

Вносите зміни у свій дрон? Можливо, вам доведеться переглянути параметри PID. На налаштування PID можуть впливати різні фактори, як-от використання іншої батареї, додавання камери GoPro, використання інших моторів і пропелерів або навіть зовнішні фактори, такі як вітер, вологість і висота.

По суті, щоразу, коли ви вносите значні зміни у свій квадрокоптер, має сенс перевірити та налаштувати значення PID.

Висновки​

Опанування налаштування PID є важливою навичкою для будь-якого досвідченого ентузіаста безпілотників FPV, який прагне оптимізувати польотні характеристики свого квадрокоптера. Розуміючи тонкощі посилень P, I та D та їхній вплив на поведінку вашого дрона, ви можете налаштувати його чутливість відповідно до свого стилю польоту та вподобань. Не забудьте врахувати зміни апаратного забезпечення під час точного налаштування параметрів PID. Маючи ці знання у вас під рукою, тепер ви готові перетворити добре літаючий дрон на ідеально налаштовану машину, готову забезпечити неперевершений досвід польоту FPV. Щасливого польоту!

Історія редагування

Жовтень 2013 - Створено статтю
Грудень 2015 - Додано приклади того, як PID впливає на льотні характеристики в Cleanflight/Betaflight
Січень 2018 - Оновлена стаття для останньої прошивки Betaflight, спрощений розділ «Що таке PID-налаштування» та об'єднана зі статтею «Мій простий посібник з PID-налаштуваннь»
Лютий 2018 - Додано інформацію про вагу/перехід задатчика
Липень 2018 - Додано аналогію з гольфом
Вересень 2022 - Виправлено
Березень 2023 - Переглянуто

 

[elektroNIK]

Увесь розділ про D складову перекладений невірно: описано що D протидіє сам собі В оригіналі - він протидіє P

 

[Magshifter]

Увесь розділ про D складову перекладений невірно: описано що D протидіє сам собі В оригіналі - він протидіє P

elektroNIKТи можеш відредагувати?

 

[elektroNIK]

Ти можеш відредагувати?

MagshifterТак, завтра зроблю

 

[Benderitto]

У Бардвела є хороше відео з поясненнями щодо PID. Я в принципі завдяки йому й отримав вперше дійсно успішний результат.