Poprawa właściwości lotnych drona po przez regulację PID

18 grudnia 2020 0 przez Dawid

Co oznacza regulacja PIDów?

Pojęcie ustawień PID nie występuje tylko i wyłącznie w ustawieniach dronów FPV, jest to szerokie pojęcie stosowane w szeroko pojętej automatyce. W dronach jest to część oprogramowania znajdującego się w kontrolerze lotu, które odczytuje dane z czujników zamieszczonych na FC i na ich podstawie oblicza, z jaką prędkością powinny obracać się silniki, aby zapewnić stabilny lot. Pojęcie PID jest akronimem od słów: 

Proportional – P – czułość żyroskopu – im dalej znajduje się od zadanej wartości w systemie tym bardziej dron wykonuje większą kontrę, aby powrócić do bezpiecznej pozycji drona. Skupia się na obecnych wartościach.

Integral – I – stara się utrzymać drona na swojej pozycji wykorzystując do tego obserwację sił działających na drona przez dany czas, najlepszym przykładem działania tego parametru jest lot podczas wietrznej pogody, gdy dron ciągle będzie się oddalał od zadanej wartości, ponieważ będzie go „zwiewać” kontroler lotu będzie zwiększał moc danych silników, aby dokonać kontry, a następnie wyrównania lotu. Skupia się na wartościach występujących w przeszłości.

Derivative – D – odpowiada za płynność drona i stara się nie dopuścić, aby do przekroczenia wartości przeciwnych obserwując prędkość, z jaką się do nich zbliża następnie, gdy jest blisko ich przekroczenia przeciwdziała parametrowi P, aby zminimalizować przestrzał. Stara się przewidzieć przyszłość.

W starszych systemach nie można było się obejść bez konfiguracji PID obecnie zostało to znacząco poprawione i w wielu przypadkach wartości domyślne są wystarczające aby dokonać lotów. Jednak PIDy wciąż są istotne jeśli chcemy aby nasz dron latał lepiej i bardziej wpisywał się w nasz styl latania. Ustawienia PID są rzeczą bardzo indywidualną, każdy ma inny styl w jaki lata dronem FPV.
Istnieje wiele sposobów konfiguracji PIDów: latając oraz próbując jak zachowuje się nasz dron,  analizując dane z blackboxa (dane zapisane w pamięci kontrolera lub na karcie SD które mogą być potem przeanalizowane w formie wykresów) oraz za pomocą specjalnego oprogramowania „symulującego” zachowanie drona w trakcie lotu jednak ta opcja wymaga dość dużego doświadczenia oraz nakładów finansowych taką formą PIDowania zajmuje się w Polsce tylko garstka osób.

Przed przystąpieniem do PIDowania należy zadbać o istotne mogące się wydawać wręcz błahe sprawy:

  • Przed zmianą ustawień PID warto dokonać kopii zapasowej obecnych ustawień na wypadek gdyby coś poszło nie po naszej myśli. Zawsze warto tworzyć kopię zapasową najważniejszych ustawień na wypadek np. gdyby podczas aktualizacji kontrolera lotu, nasze ustawienia zostały wymazane. 
  • PIDowanie powinno odbywać się w trybie Acro (nazywanym również Air lub Rate)
  • Należy upewnić się, że środek ciężkości drona jest w odpowiednim miejscu. Można to sprawdzić łapiąc drona na środku, dwoma palcami za górną płytę nad kontrolerem lotu. 
    Jeśli nasz środek ciężkości jest zaburzony należy go poprawić, przesuwając nasz pakiet zasilający w przód lub w tył. Warto zwracać na to uwagę, ponieważ jeśli np. nasz pakiet jest przesunięty zbyt mocno do przodu dochodzi do sytuacji kiedy silniki z przodu pracują na 100% swoich możliwości, kiedy z tyłu jedynie na 80%. Taka sytuacja może ograniczać prędkość maksymalną drona, powodować przegrzewanie się silników lub zmniejszać stabilność drona w locie.

Wiele osób się zastanawia co tak naprawdę wpływa na ustawienia PID. Nie możemy bezpośrednio skopiować ustawień PID kogoś innego ponieważ trudno znaleźć jest drony FPV zbudowane na identycznych komponentach. Na ustawienia PID wpływają również takie rzeczy jak klimat w którym latamy. Może wystąpić taka potrzeba, że jeśli zmienimy śmigła, kontroler lotu, ESC charakterystyka modelu będzie tak odmienna, że będzie wymagane ponowne konfigurowanie ustawień PID.  

Aby przejść do ustawień związanych z PID należy wybrać zakładkę „Regulacja PID” po wejściu zobaczymy taki panel:

Ustawienia PID w programie BetaFlight do konfiguracji drona FPV

Tabela z wartościami PID posiada trzy kolumny odpowiadające każdej z osi, w której może poruszać się dron: 
Roll (na boki), 
Pitch (przód tył),
Yaw (obrót prawo lewo)
oraz na 5 kolumn:
Proportional
Integral
D min
D max
Feedforward

Rozkład osi w dronie wyścigowym FPV

Parametr D został rozdzielony na dwa mniejsze oznaczające dolną granicę (D min) oraz górną (D max) zakresu, w którym ma mieścić się wartość. Kontroler lotu sam dobiera sobie w zależności od stylu lotu tą wartość bazując, na tym zakresie. W przypadku łagodnego lotu dron wykorzystuje konfigurację bazującą na niższym zakresie podczas wykonywania gwałtownych ruchów takich jak przewroty będzie wykorzystywana wartość maksymalna. Jeśli nie chcemy korzystać z rozdziału na wartość minimalną oraz maksymalną to należy wyłączyć opcję poniżej lub obok tabeli z pidami.

Wyłączenie parametru D_min w betaflight

Kolumna Feedforward jest podobnym ustawieniem do znanym z poprzednich wersji Betaflight jako D Setpoint Weight oraz Transition. Dzięki tej opcji możemy ustawić czułość z jaką reaguje model na ruchy drążkami. Częstym problemem był fakt, że po ustawieniu PIDów model inaczej reagował na drążki i jedynym możliwym rozwiązaniem była zmiana wartości parametru P. Zwiększenie tego parametru nawet do skrajnych wartości nie powoduje wibracji ani oscylacji modelu. FeedForward pozwala ustawić stopień w jakim model reaguje na drążki dla każdej osi osobno. 

Jest wiele metod ustawiania wartości tych wartości, najłatwiejszą z nich jest wprowadzenie wartości, do których jesteśmy przyzwyczajeni następnie wykonanie lotu testowego z dokładnym obserwowaniem zachowanie naszego modelu podczas wykonywania różnych manewrów. Jeśli jesteśmy osobami dopiero rozpoczynającymi przygodę z tym hobby, możemy próbować na domyślnych wartościach RATE, obserwacje czy nasze wartości PID są poprawne, zdecydowanie ułatwi nagranie DVR i analizowanie potem go na komputerze. Dla osób bardziej zaawansowanych dokładniejszą informacją będą wykresy z BLACKBOX gdzie możemy zobaczyć dokładne zachowanie drona na wprowadzane przez nas instrukcje za pomocą aparatury. 
Po wykonanym locie i obserwacji możemy przystąpić do zmiany oraz prób, które ustawienia są dla nas odpowiednie. Jeśli zmienione przez nas ustawienia nie poprawią zachowania drona lub nie będą dla nas zadowalające, należy dokonać zmiany wartości i wykonanie kolejnego lotu. Również popularną praktyką jest znaczące zmniejszenie wartości np. o połowę następnie zwiększanie każdej kolejno do momentu, gdy zaczniemy obserwować niepożądane zachowania drona. 
Ustawianie PIDów w zależności od naszego doświadczenia i oczekiwań może zająć 10 minut, a jeśli chcemy dość do perfekcji nawet kilka dni. Jedną z najłatwiejszych metod jest rozpoczęcie od osi roll następnie pitch a na końcu yaw, która jest uważana za jedną z najtrudniejszych do ustawienia osi, ponieważ zmiany są mało wyczuwalne podczas lotu. Wartości dla każdej z osi ustalamy po jednej wartości, zaczynając od parametru P,  następnie D a na końcu I. Może zaistnieć potrzeba powrócenia do poprzedniej wartości i jej zmiany, ponieważ dane wartości oddziałują na siebie nawzajem.  

Jakiego zachowania drona możemy oczekiwać zmieniając dany parametr?

Parametr P

Parametr P określa jak bardzo kontroler lotu pracuje, aby korygować lot oraz osiągnąć tor lotu podyktowany przez pilota za pomocą aparatury. 

Myśląc pod względem czułości oraz responsywności wysoka wartość parametru P może być odczuwalna w podobny sposób jak by wartości rates zostały zwiększone. Wysokie P zapewnia ostrzejsze bardziej sztywne sterowanie, niskie łagodniejsze.
Jeśli wartość P jest zbyt wysoka dron zaczyna być zbyt czuły i będzie miał tendencję do wprowadzania zbyt dużych korekt oraz będzie można doświadczyć oscylacji o wysokiej częstotliwości, mogą być widoczne na podglądzie lub/oraz słyszalne na nagraniu. Aby zniwelować niepożądane efekty, należy zmniejszyć ten parametr, jednak jeśli zostanie on zmniejszony za mocno, dron zacznie być ospały.

Parametr I

Parametr  I określa jak bardzo jak bardzo dron ma walczyć z siłami zewnętrznymi, takimi jak np. wiatr czy zaburzony środek się ciężkości. Należy odbierać to ustawienie jako ustawienie odpowiadające za ruch drona podczas utrzymywania się w jednej pozycji.
Jeśli dron ucieka „dryfuje” bez woli użytkownika oznacza to, że ten parametr jest za niski i należy go zwiększyć. Kiedy parametr I jest za wysoki pilot musi w bardzo dużym stopniu korygować model podczas lotu, jest to widocznie szczególnie przy manewrach wymagających używania gazu.
Kiedy parametr I jest za wysoki jest odczuwalny podobnie do tego gdy posiadamy za zmniejszony parametr oraz wolniejszy czas reakcji. W takim wypadku dron jest ograniczany przez ten prametr zaczyna być odczuwalny jako sztywny oraz nieresponsywny. W przypadku skrajnych wartości parametr I może powodować oscylacje o niskiej częstotliwości. 

Warto tutaj wspomnieć o wprowadzonej w nowszych wersjach funkcji „Anti Gravity”. Jest to funkcja niwelująca problem zauważalny podczas nagłego wznoszenia się i odpuszczania gazu, w wielu przypadkach w takich momentach np. jeden silnik zaczyna się szybciej wolniej kręcić, przez co ta strona drona szybciej traci wysokość. Wynika to z faktu, że nie ma na świecie 2 identycznych silników śmigieł czy też ESC i dostarczają inny ciąg. Może to wynikać z zużycia tych części lub różnic powstałych w trakcie produkcji. W poprzednich wersjach wymagane było podbicie tego parametru, aby uniknąć tego zjawiska. Działa w taki sposób, że podczas powolnych lotów parametr I jest obniżony, a podczas zwiększania wysokości i odpuszczania gazu następnie parametr I zostaje zwiększony w celu uniknięcia takiego zjawiska. 

Parametr D

Parametr D możemy uznać jako, taki który działa jako hamulec starający się nie dopuścić do zbyt dużej kontry spowodowanej parametrem P. Można to określić jako amortyzator, który zapobiega „odbijaniu” się jak piłka, dodanie parametru D łagodzi oraz niweluje oscylacje spowodowane przez parametr P oraz zmniejsza efekt „propwash”. 
Z tym parametrem należy obchodzić się z rozsądkiem, ponieważ zbyt wysoka jego wartość może spowodować spalenie silnika!
Zbyt niski parametr D może być widoczny przy wykonywaniu przewrotów oraz beczek po zakończeniu manewru jako zbyt duży powrót do poziomu, bujnięcie dronem
Zbyt wysoki parametr D może powodować, że responsywność drona znacząco spadnie oraz mogą pojawić się dodatkowe wibracje. W przypadku skrajnych wartości może dojść do przegrzania silnika, a następnie jego uszkodzenia. Dlatego warto podczas ustawiania tego parametru sprawdzać temperaturę silników. 

Ustawienia prametrów dla danych osi

Parametr P na osi roll

Najłatwiej jest ocenić czy prametr P jest ustawiony poprawnie wykonując spokojny lot, skupiając się na tym czy dron wykonuje precyzyjnie nasze polecenia. 
Podczas próby wykonywania ostrych zakrętów, jeśli parametr P jest za niski dron będzie nurkował na jedną stronę lub będą pojawiały się drobne oscylacje. Kiedy parametr P jest za wysoki pojawiają się szybkie oscylacje. Kiedy P jest ustawione w sposób idealny, mogą występować minimalne drgania przy naprawdę ostrych zakrętach.

Parametr P na osi Pitch

Aby sprawdzić, czy działa poprawnie wykonując tzw. split-S lub inny trick gdzie dokonujemy nagłego dodania gazu w celu „odratowania” modelu przed uderzeniem w ziemię,  należy zwrócić uwagę na ruch w tej osi. Jeżeli podczas takiego ruchu unosi się przód naszego drona, oznacza to, że parametr P jest zbyt niski, jeżeli odczuwamy szybkie oscylacje oznaczają że parametr P posiada zbyt wysoki i należy obniżyć jego wartość.
Wartości te należy dopracowywać do momentu, kiedy będzie zachowywał się responsywnie oraz będzie zwinny, należy zwrócić szczególną uwagę na to aby nie pojawiły się nadmierne wibracje. Mogą one się objawiać poprzez specyficzny dźwięk silników i nie być widoczne na podglądzie kamery jest to oznaka zbyt dużej wartości P.

Parametr D na osi Pitch oraz Roll

Parametr D dla każdej osi działa podobnie, jeśli podczas manewrów bardziej agresywnych takie jak przewroty lub beczki następuje przy końcu manewru charakterystyczne odbicie lub bujnięcie. 
Na ten problem pomoże zwiększenie wartości tego parametru co również zmniejszeniu efekt propwash.

Należy uważnie używać tego parametru jak zawsze w jego przypadku, zbyt duża jego wartość może się przyczynić do oscylacji o wysokiej częstotliwości przy końcu akrobacji lub/oraz do zwiększenia temperatury silników, co przy skrajnych wartości może się przyczynić do spalenia silników.
Jeśli ten parametr nie pomoże, warto spróbować funkcji „feedforward”.

Parametr I na osi Roll

Aby sprawdzić, czy ten parametr jest dobrany poprawnie należy wykonać parę ruchów tą osią w prawo i w lewo jeśli po puszczeniu drążka nasz dron FPV zmniejsza wysokość, na jakiej się znajduje oznacza to, że parametr I jest za niski. 
W wietrzne dni nasz dron może być zwiewany wtedy należy trochę podnieść ten parametr, w zależności od siły wiatru.
Wyższe wartości parametru mogą powodować oscylacje oraz uczucie, że dron jest bardzo sztywny, zaleca się utrzymywanie parametru w takim zakresie, aby dron był w stanie utrzymać poziom.

Parametr I na osi Pitch

Ustawienie tego parametru należy sprawdzić lecąc do przodu, kąt z jakim porusza się dron, powinien być jednostajny, jednak jeśli nie jest on utrzymywany, należy zwiększyć siłę tego parametru. 
Objawem zbyt dużego tego parametru są pojawiające się specyficzne dźwięki, kiedy nie dodajemy gazu.

Opcja anti-gravity

Opcja służąca wyrównywaniu drona podczas opadania, aby opadał równo, a nie w sposób kiedy jedno ramię drona opada szybciej niż inne. Najłatwiejszym sposobem na sprawdzenie tego jest wykonanie lotu na wprost mając coś w linii prostej aby mieć punkt orientacyjny, może być to horyzont, ziemia lub nawet drzewa. Jeśli po gwałtownym dodaniu a następnie odjęciu go nasz dron opada nie równo należy zwiększyć tą wartość, jednak jeśli będzie ona zbyt duża dron będzie zachowywał specyficznie.  

Parametr P na osi Yaw

Ustawienia dla osi Yaw są trudne do ustawienienia z powodu charakterystyki drona. Aby sprawdzić czy parametr jest dobrany prawidłowo, należy „zakręcić” drona po odpuszczeniu drążka obserwować jego zachowanie. Jeżeli zaobserwujemy wibracje lub dron podczas takich manewrów będzie zyskiwał wysokość należy obniżyć wartość natomiast, jeżeli dron zacznie przechylać się w jedną z stron należy ją zwiększyć.

Warto mieć na uwadze, że wibracje generowane na tej osi są znaczenie mniejsze w porównaniu z wibracjami na innych osiach, ponieważ ze względu na konstrukcję drona jest ona najsłabsza. 

Parametr I na osi Yaw

Niepoprawnie ustawiony parameter I na tej osi można zauważyć podczas pokonywania zakrętów. Ten parametr ma zapobiegać wyjeżdżaniu drona przy ostrych zakrętach, powinien być ustawiony na takim poziomie, aby dron pokonywał zakręty bez wypadania czy też wyjeżdżania z nich. Jeżeli będzie miał za dużą wartość, dron będzie nie stabilny oraz spadnie jego responsywność. 

Krótka ściąga pomagająca przejść proces PIDowania:

  • Jeśli dron po wykonaniu beczki lub przewrotu „odbija się” należy zwiększyć parametr D dla danej osi 
  • Jeśli przechyliłeś drona aby lecieć do przodu ale dron nie utrzymuje zdanego kąta, należy zwiększyć wartość I dla osi Pitch
  • Jeżeli przechyliłeś drona lecieć w bok i dron nie utrzymuje takiego przechylenia należy zwiększyć parametr I dla osi Roll
  • Jeżeli pojawiają się powolne oscylacje należy zwiększyć P 
  • Jeżeli po gwałtownym dodaniu gazu następnie odpuszczeniu go model przechyla się należy zwiększyć wartość anti-gravity
  • Jeśli przód drona ucieka bez dodania gazu należy zwiększyć parameter I
  • Jeżeli przód drona ucieka po dodaniu gazu należy zwiększyć anti-gravity
  • Jeżeli pojawia się propwash przy pokonywaniu ostrych zakrętów należy zwiększyć parametr D a zmniejszyć parametr I . Należy spróbować wykonać to dla osi Pitch oraz Roll 
  • Jeśli dron wyjeżdza podczas pokonywania zakrętów należy zwiększyć parametr I dla osi Yaw
  • Jeżeli chcesz aby dron zachowywał się sztywno zwiększ parametr I dla osi Roll i Pitch 

Krótki filmik ilustujący wzajemnie oddziaływanie na siebie PIDów

Przełącznik po prawej stronie jest włącznikiem
Przełącznik po lewej stronie jest symulacją drążka danej osi
Koła połączone paskiem oznaczają naszego drona, koło z ramieniem pokazuje reakcję naszego drona na zmianę PIDów
Pokrętła P, I  oraz D odpowiadają wartościom danego parametru ustawionego w dronie  

Comments

comments