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多旋翼无人机的调试2016/06/15

THEONE-A产品用户手册

无人机调试,大体可参照如下步骤进行:

一、查看无人机结构,预估对飞行品质的影响

无人机机体形式有多种,包括使用碳纤玻纤等一体成型机体,在机臂端有电机定位固定的机构,这种形式机体刚度较强,但机体重量较大,电机位置固定精准,振动来源主要为电机和桨的变速转动,机体并不会产生额外的谐振,高频分量较少;机体也有使用双层圆形碳板做为机体中心,碳杆支臂分别固定夹紧在双层圆碳板中,支臂外悬长度较长,在支臂端电机夹紧固定,这种形式机体刚度较弱,且支臂端电机夹紧螺丝易松动,使桨的升力面与机身平面产生夹角,振动除来源于电机和桨的变速转动外,机体支臂和电机夹紧松动会引发额外的谐振高频分量;机体还有使用多根碳杆交叉固定形成“#”状等,支臂外悬长度较短,在支臂端电机夹紧固定,这种形式机体刚度较好,且结构简单重量轻,振动来源主要为电机和桨的变速转动,机体并不会产生额外的谐振,高频分量较少。

同时,仔细查看电机中低高速转动时机体有无异响,检查电机与机座固定处是否松动,电机内轴承是否完好,电机转子和定子之间有无晃动摩擦等。飞控安装位置或平台要和机体固连,不能和机体本身有额外的相对运动或震动。上述情况都会恶化机体的震动情况。飞控安装位置,尽量远离桨高速旋转产生的气流场,或安装使用机罩将飞控罩在其中,减弱气流场对飞控内气压传感器的影响,尤其是采用较大直径桨叶设计的无人机。

二、检测电机电调的响应,预估对飞行品质的影响

着重检测电机电调对于不同频率激励的响应,以及多电机的同步性。首先完成电调校准,而后以不同频率(比如慢、中、快速)操作遥控器摇杆激励电调电机,查看电机的响应是否能够跟随激励,有无明显的延迟或卡顿和卡停现象,检查电调如何处理给定的不同频率的激励信号,有无滤波保护处理,以及短时过载保护等。尤其现在由于农业无人机市场的火爆,很多厂家承接定制电机电调,但在电机电调产品性能匹配方面有些会存在问题,不能有效发挥电机的性能,出现驱动电机不良。当然有时也是因为定制电机的问题,存在严重的大惯性和非线性特性,并不适合应用在多旋翼无人机上。在检测同步性方面,可以使用遥控的一个通道同时连接所有电调电机,以不同频率(比如慢、中、快速)操作遥控器摇杆激励电调电机,查看所有电机的是否能够同步跟随激励。

三、安装飞控

首次安装飞控时,可不考虑减震,使用比较厚软的双面胶将飞控粘到机体靠中心的位置。安装飞控位置,避免动力电源走线环绕在其周围,形成闭环。安装好飞控之后,按照使用说明书完成飞控的校准,包括传感器校准、遥控器校准、飞行模式设定等。校准完成后,晃动飞机姿态,及调整无人机机头方向,通过地面站查看飞控测量反馈是否正确。另外,待室外搜索到GPS后,观察星数是否稳定。观察无人机在地面静止放置时,地面站显示飞控测量反馈的对地速度、垂向速度是否正确,有无大跳变,以及高度值是否稳定正确。上述情况均正确,则表明传感器校准正确,飞控状态良好。

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四、初次起飞,检测机体状态,确定调试方向

初次飞行,选择默认参数,在姿态模式起飞,起飞正常后,姿态悬停一段时间后降落。飞行时注意听电机声音是否正常,声音有无突变,有无尖锐声音。本次飞行数据重点查看加速度计和陀螺仪数据,考虑机体震动情况及角速度震动情况、飞控安装方式是适合。查看角速度环跟踪情况,考虑电调电机的响应情况(包括时延时间、飞行时间内响应是否一致,有无电机无反应状态出现),考虑角速度环跟踪静差是否存在,判断电调电机是否是严重的大惯性非线性系统。查看角速度环和角度环是否存在过冲和震荡,跟踪效果是否明显。

修改控制参数需考虑上述所有问题。若震动过大,首先考虑机体状态,确保桨平面一致,机械安装部分无松动,电机无故障等。之后,震动过大情况依然存在,则需考虑安装减震垫。安装减震垫会明显改善加速度计测量噪声,但安装的减震垫刚度不合适会导致角速度测量噪声恶化,起飞时会发生电机频繁的加减速有自激振荡的趋势,所以安装减震垫后起飞时要密切关注电机响应,选择合适刚度的减震垫。机体状态调整到什么程度算完美?主要参考:加速度测量的高频分量较低,平滑的陀螺仪曲线。

在加速度和角速度测量可接受的情况下,进行调试各控制环参数,调参按照先调试角速度环,然后角度环、速度环、位置环的顺序从里到外依次进行。首先调试角速度环,若过冲和震荡较大,适当减小感度值,若实际角速度响应达不到期望值,适当增加感度值;若静差过大,跟踪效果不明显,说明非线性特性明显,适当增加惯性系数,惯性系数较大会导致系统惯性更大,飞行不流畅,过大则会引发震荡;若存在过冲和震荡,但过冲程度较小,同时角速度噪声不大,数据质量较好,可适当增加震荡抑制系数而不降低感度值,即不降低系统响应的情况下降低超调,震荡抑制系数过大则不仅不会抑制震荡,还会引发恶化震荡;每次变化值在原来数值基础上变化5%-10%左右进行调试。调试到无过冲和震荡,无静差时,查看跟踪响应时间,若响应时间过大,可同时提高感度值和震荡抑制系数,提高响应。可提高到什么程序,还得考虑电机的响应情况,主要查看输出控制量和角速度响应,考虑电机对于大控制量、小控制量、快变控制量、慢变控制量的响应情况。若电机本身为大惯性的非线性系统,且和电调的匹配度不高,则需密切查看在提高响应过程中,系统的稳定性。并根据电机的响应情况调整系统设定的最高角速度值和线加速度值。角速度环调整到什么程度算完美?主要参考:1、没有恶化原来测量的加速度和角速度噪声;2、没有过冲或过冲量很小,无连续震荡;3、响应时间在100ms内;4、小舵量静差值较小。这里需要提到的是,航向的参数较大更易导致加重机体的震动噪声,这时可以选择适当较低对航向跟踪特性的要求,并不会对飞行品质造成很大的影响。

多旋翼无人机的调试

角速度环调好后,开始细调角度环。在调试之前,查看在调试完角速度环的情况下角度环的响应情况,若过冲和震荡过大,则减小感度值。调试到基本无过冲和震荡的情况下,在姿态模式下,打杆进行姿态激励和航向激励,使姿态角迅速增加到20度左后(电机响应较好的,可以增加到35度左右),然后摇杆回中,观察姿态在回平过程中有无较大过冲和震荡;连续打航向舵,观察航向变化是否跟随杆量。根据飞行数据和现象,调整角度环参数,调试方法参照第4条。角度环调整到什么情况算完美呢?主要参考:1、没有恶化原来测量的加速度和角速度噪声;2、没有过冲或过冲量很小,无连续震荡;3、响应时间在100-200ms内。调试到现在,可以有一个很好操作的方法来检验电调电机的响应,航向杆左打满而后迅速右打满,观察在各电机进行正反转操作的过程,响应是否流畅,电机是否会发生过载,当然如若电机电调桨匹配不佳时,建议调低最大航向角速度设定值,而后进行如此暴力的打舵测试。

一般情况下,系统具有严重的大惯性非线性特性,电机响应稍慢且不稳定,系统调整的感度值稍小,惯性系数稍大震荡抑制系数稍大;而电机响应快且稳定,机体重量较小,系统调整的感度值稍大、惯性系数稍小、震荡抑制系数稍小。

角度环调好后,可进行GPS辅助模式下定点悬停的测试调参。首先查看导航系统解算结果是否正确,主要考虑系统解算的三轴速度(即北向、东向、地向速度)与GPS测量速度对比,两者是否有较好的拟合度,如若偏差较大可考虑重新在室外校准所有传感器;还要考虑气压高度。测量值、GPS测量高度值、导航解算输出高度值,同时对比飞行时观察的高度变化,对比分析这几者是否有较好的拟合度;如若气压计跳变较大,受桨的风场影响较大时,可考虑措施增加机罩等,减弱对气压测量的影响。导航数据确认正确后,可进行GPS辅助模式下定点悬停测试,同时观察机体反应,如若飞机在空中定点效果好,可进行前向、侧向、垂向速度飞行激励,主要观察飞机在加速减速过程中,飞机姿态是否存在过冲震荡,航向有无大角度波动变化,而后进行数据分析细调参数。外环调整到什么情况算完美呢?主要参考:1、没有恶化原来的姿态响应;2、没有过冲或过冲量很小,无连续震荡;3、响应时间在500ms内;4、定点悬停时水平误差在0.3米以内,垂向误差在0.5米以内;这里需要提到的是,如若角速度环的响应较慢,则适当调整降低系统的最大加速度设定值。如若在推俯仰杆时,飞机前行方向与机头方向有夹角,则需检查GPS模块方向与飞控安装方向是否与机头方向平行。

六、其他功能调试

上述调试完成后,则继续按照使用说明书,完成其他功能的使用,其中包括GPS辅助起飞和降落、关控返航、农业喷洒作业等。一般情况下,经过上述调试过程后,刚提到的功能无需调试即可使用。另外需注意的地方如:若两个飞行器机架的重量、尺寸、重量、硬度,电机的功率、扭力、推力,电机的安装位置、电机的间距,螺旋桨的直径、螺距、材料,可拥有近似一致的参数来达到飞行器的最佳状态。

一般农用多旋翼的飞行速度较大时,由于电机和桨的输出功率与低速时有较大变化,机体的震动情况会发生变化。稍小的多旋翼临界飞行速度在30m/s左右,稍大的多旋翼临界飞行速度在20m/s左右,当然该数值对于多旋翼来说也不尽相同,必须具体分析。

一般专为多旋翼飞行器设计的电调,无低压保护,无过热保护,但有启动保护、过负荷保护和油门信号丢失保护。过负荷保护就是当负载突然变得极大时,电调会切断动力,须油门归零后才可正常操作,当失步时,电调自动尝试重新启动。启动保护是指当加大油门后两秒内未能正常启动,马达,电调将关闭动力输出,油门摇杆需再次置于最低点才能启动。油门信号丢失保护是指当电调检测到油门遥控信号丢失0.25秒以上即立即关闭输出,以免因螺旋桨继续高速转动而造成更大的损失。

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