Что делает ПИД-контроллер дрона?

Современные дроны стали настолько простыми в использовании, что можно легко забыть, сколько работы уходит на то, чтобы заставить их выполнять наши команды или сохранять устойчивое положение, пока мы делаем аэрофотоснимки. Мы уже писали о том, как подробные статьи о том, как двигатели и пропеллеры дронов работают вместе, чтобы обеспечить подъемную силу и движение, а также о том, как различные датчики собирают информацию об окружающей среде дрона. В этой статье мы более подробно рассмотрим компонент, который имеет смысл из всей этой информации: ПИД-регулятор. Как работает ПИД-регулятор и какую роль он играет в общей схеме создания полета дрона?

Что такое ПИД-регулятор?

Пропорционально-интегрально-производный (ПИД) контроллер — это наиболее распространенный тип контроллера, встречающийся в дронах. Это важный компонент дронов, обеспечивающий стабилизацию и автономное управление. Если рассматривать датчики дрона как его глаза и уши, то ПИД-регулятор по сути является его «мозгом». Он получает информацию от датчиков, выдает соответствующий ответ и направляет другие компоненты дрона для достижения желаемого. ‘состояние.

С более практической точки зрения, ПИД-контроллер в основном электрический компонент, который получает входные данные от датчиков дрона и обрабатывает эту информацию с помощью большого набора алгоритмов. Типичный набор информации, которую получает ПИД-регулятор, включает высоту дрона, его направленную и угловую ориентацию, а также местоположение. Затем ПИД-регулятор сравнивает текущее состояние дрона с желаемым состоянием.

Желаемое состояние дрона может варьироваться в зависимости от того, что командует пилот дрона. Например, дрон, которому предписано зависать, должен сохранять свое горизонтальное и вертикальное положение и идеально выровненный угол. Любые отклонения от этого положения будут считаться «нежелательными», которые ПИД-регулятор будет стремиться исправить. В случае автономного полета пилот может приказать дрону двигаться в определенное место или двигаться по заранее заданному маршруту. Эта команда сформирует основу для следующих желаемых параметров дрона, и ПИД-регулятор будет активно работать, чтобы удовлетворить этим условиям.

Как дрон переходит из «нежелательного» состояния в «желаемое». условия? Через ПИД-регулятор дрон точно знает, что ему нужно делать. Если дрон должен поддерживать стабильное парение, любые отклонения от его стабильного положения из-за ветра необходимо будет нейтрализовать.

Это делается с помощью PID-контроллера, отправляющего команды электронному контроллеру скорости дрона. (ESC), который контролирует скорость вращения каждого двигателя. Это тот же процесс, с помощью которого дроны могут автономно летать из одного места в другое.. Судя по тому, что мы обсуждали о двигателях и пропеллерах дронов, именно вариации скорости вращения двигателей позволяют дрону набирать высоту, делать повороты и двигаться вперед и в сторону.

Как это работает?

ПИД-регулятор называется так, потому что его алгоритм сочетает в себе методы пропорционального, интегрального и производного расчета для перехода от фактического состояния к желаемому. «Желаемое состояние» в этом контексте может быть любым параметром, связанным с характеристиками полета или местоположением дрона: скоростью, высотой, местоположением или степенью вращения по любой оси. Для каждого из этих параметров существует разница между фактическим значением и желаемым значением. Например, вы можете приказать своему дрону взлететь на высоту 100 футов, в то время как его текущее положение находится только на высоте 60 футов. На этом этапе разница между желаемым и фактическим значением (40 футов) называется «ошибкой».

Думайте об алгоритме PID как об одном математическом уравнении, состоящем из трех членов, которые при добавлении вместе, объедините, чтобы сформировать фактическое значение параметра. В каждом из этих терминов значение ошибки во времени включается как пропорциональный, интегральный или производный коэффициент. У каждого термина также есть уникальный фактор, который пользователи могут изменять во время настройки.

Почему ПИД-регулятор должен использовать три термина? Как вы понимаете, процесс, с помощью которого дрон переходит из своего фактического состояния в желаемое, не идеален. Это похоже на попытку забить мяч в лунку: слишком слабый удар по мячу приведет к тому, что он попадет не далеко от вашей цели, но слишком сильный удар также может привести к выходу за пределы ворот. Три метода вычислений — пропорциональный, интегральный и производный — работают вместе, чтобы этого не происходило.

Ключевой концепцией для понимания того, как работает ПИД-регулятор, является тот факт, что ответ контроллера имеет внутреннюю задержку. Он сравнивает желаемое состояние дрона с его текущим состоянием, даже когда он продолжает двигаться, что означает, что алгоритм фактически обрабатывает данные за несколько миллисекунд назад. Это означает, что фактическое значение будет колебаться между положительными и отрицательными пределами погрешности, прежде чем достигнет желаемого значения. Цель ПИД-регулятора — уменьшить эти колебания, чтобы дрон достиг желаемого состояния как можно быстрее.

Чтобы позволить ПИД-контроллеру достичь желаемого состояния так же быстро и с минимальной ошибкой по возможности, каждый из трех членов выполняет свою функцию:

1. Пропорциональный член — это просто произведение ошибки и регулируемого коэффициента. Изменяя коэффициент, алгоритм может сократить разрыв между фактическими и желаемыми значениями. Это означает, что пропорциональный член имеет наибольшее влияние, когда ошибка максимальна. По мере приближения фактического значения к желаемому, эффект пропорционального члена начинает уменьшаться..

Ограничение пропорционального члена состоит в том, что он генерирует установившуюся ошибку, когда он является единственным механизмом управления. Ошибка установившегося состояния — это результат того, как работает пропорциональное управление; если ошибку уменьшить до нуля, то результирующий сигнал также будет равен нулю. Таким образом, фактическое значение оказывается немного ближе, но никогда не бывает равным желаемому значению. В нашем примере наш дрон может подняться на высоту примерно 90 футов, где он будет зависать на месте, никогда не достигнув высоты 100 футов, которую хочет пилот.

2. Интегральный член учитывает накопленную ошибку с течением времени, когда дрон перемещается в желаемое состояние. Подобно пропорциональному члену, интегральный член также имеет коэффициент, который контроллер постоянно настраивает по мере движения дрона. Обратите внимание, что накопленная ошибка, которую учитывает интегральный член, может быть как отрицательной, так и положительной, и что отрицательная и положительная ошибки компенсируют друг друга. Это означает, что по мере того, как фактическое значение колеблется между отрицательным и положительным пределами погрешности, влияние интегрального члена уменьшается.

Интегральный член решает проблему установившейся ошибки, не достигая нулевого значения. с первой попытки исправления. Это означает, что контроллер не перестает работать, поскольку фактическое значение приближается к желаемому. Фактически, только из-за повторяющихся колебаний интегральный член в конечном итоге становится равным нулю. Хотя эта функция решает одну проблему, она создает другую: постоянно превышая целевое значение, дрону может потребоваться очень много времени, чтобы стабилизироваться.

3. Дифференциальный член определяет скорость изменения ошибки сигнала с течением времени. Это означает, что дифференциальный член замедляет скорость коррекции, которую выполняет контроллер, когда фактическое значение приближается к желаемому. Это замедляет скорость приближения к желаемому значению, тем самым сводя к минимуму результирующий выброс. Устраняя это ограничение, вызванное интегральным членом, дифференциальный член помогает контроллеру быстрее достичь желаемого значения.

Калибровка и точная настройка ПИД-регулятора

Большинство доступных сегодня дронов потребительского или высокого класса уже оснащены прошивкой, которая была интегрирована с оптимизированными алгоритмами ПИД-регулятора. Эти ПИД-регуляторы не только имеют предварительно установленные коэффициенты, но также оснащены технологией фильтрации шума для лучшей изоляции соответствующих сигналов. Благодаря этим усовершенствованиям современные дроны могут отлично летать прямо из коробки без необходимости тонкой настройки своих ПИД-контроллеров.

Однако мы знаем, что для многих мастеринг — важное времяпрепровождение. члены сообщества дронов. Тонкая настройка PID была любимым занятием владельцев дронов DIY, которые хотят получить от своих дронов максимальную отдачу. Если это звучит как то, что вас интересует, то вам необходимо понимать, что один набор параметров PID может работать не для всех дронов.. Фактически, один набор параметров PID не будет оптимальным для разных условий полета или для разных требований к загрузке дрона.

Тонкая настройка PID не совсем сложна. В конце концов, вы будете корректировать только три фактора — по одному для пропорционального, интегрального и дифференциального членов. Однако весь процесс тестирования и проверки может занять много времени. Многие пользователи говорят, что процесс настройки — это больше искусство, чем наука. Попадание в идеальное место, где дрон может быстро достичь желаемого состояния без чрезмерного перерегулирования, требует сложного понимания того, как работает ПИД-регулятор, и, как правило, тонны проб и ошибок.

Перед настройкой ПИД-регулятора вам нужно убедиться, что центр тяжести вашего дрона находится прямо посередине. Для этого вам, возможно, придется изменить некоторые компоненты вашего дрона.

Есть две разные точки зрения относительно значений параметров, с которых вам следует начать при точной настройке PID. Некоторые пользователи сохраняют простоту и начинают со значений по умолчанию, в то время как другие выбирают более индивидуальный подход и начинают с действительно низких значений. Вы можете выбрать любой из них в зависимости от того, сколько времени вы готовы потратить на настройку своего ПИД-регулятора и насколько далеко вы готовы отойти от значений по умолчанию.

Каждый фактор в ПИД-контроллере может настраиваться индивидуально. Начните с пропорционального регулятора и последовательно переходите к интегральному и производному регулятору. Чтобы получить наилучшие настройки, вам нужно будет заставить ваш дрон многократно выполнять быстрые маневры. Обращайте внимание на жесты, такие как большие и повторяющиеся колебания.

Если колебания усиливаются при настройке значений, исправьте значения в противоположном направлении. Если есть значительное улучшение, продолжайте корректировать значения в том же направлении. Повторяйте этот цикл до тех пор, пока внесенные вами изменения не перестанут приводить к видимым улучшениям. На этом этапе вы можете перейти к следующему контроллеру.

Вы можете выбрать использование широкого диапазона маневров полета во время испытаний, таких как внезапные остановки, полет вперед на высоких скоростях, быстрый подъем, быстрый повороты, и место парения. Другой популярный метод — проверять реакцию дрона на каждой оси — тангаж, крен и рыскание — и корректировать по одному значению за раз.

Имейте в виду, что процесс точной настройки PID дрона настройки во многом зависят от «ощущения». Не существует правильного или неправильного способа настройки вашего ПИД-регулятора. Также нет набора квалификаций, на которые вы могли бы ссылаться, пытаясь определить, какие параметры PID являются лучшими. Для пилотов дронов нередко приходится переключаться между тремя диспетчерами, пытаясь найти комбинацию, которая дает наилучшие результаты. Одна из самых сложных задач настройки ПИД-регулятора — попытаться найти набор параметров, который является надежным, что означает, что он может работать в различных условиях полета..

Заключительные мысли

Наряду с нашими статьями о том, как работают двигатели, пропеллеры и датчики дронов, мы начинаем создавать полную картину того, как работают дроны. В этой статье мы рассмотрим мозг дрона — ПИД-регулятор. С помощью этого контроллера дрон может получать входные данные от различных датчиков и переводить дрон из фактического состояния в желаемое. Контроллер PID необходим для того, чтобы дрон мог поддерживать стабильность или двигаться автономно.

Хотя современные дроны уже имеют идеально настроенные контроллеры PID, пользовательская точная настройка PID остается очень популярным занятием среди сообщества дронов. . При правильной настройке вы можете придать своим дронам дополнительную «мощь» — улучшение, которое может улучшить характеристики вашего дрона в соответствии с вашим стилем полета. Настройка ПИД-регулятора вашего дрона на самом деле является простым процессом, если вы понимаете основы его работы. Как насчет того, чтобы покататься на выходных?

Оцените статью
futurei.ru
Добавить комментарий