Настройка и программирование регуляторов скорости для квадрокоптеров
Когда вы собираете или обслуживаете квадрокоптер, одним из ключевых этапов является настройка регуляторов скорости (ESC) и настройка PID регуляторов на контроллере полета. Именно правильно настроенные электронный регулятор скорости (ESC от англ. Electronic Speed Controller) и соответствующая система стабилизации позволяют квадрокоптеру реагировать на ваши команды четко, эффективно и безопасно. В этой статье мы рассмотрим, из чего состоит процесс настройки квадрокоптера, как программирование регуляторов скорости (ESC) производится, а также как правильно откалибровать ESC-регулятор и настроить PID-регуляторы для оптимальной работы.
Этот материал будет полезен как для тех, кто только начинает работу с квадрокоптерами, так и для более опытных пользователей, желающих усовершенствовать настройки. В этой статье уже кратко и ясно объясняли что к чему, теперь расскажем более подробно.
Что такое ESC и зачем нужно его настраивать
Регуляторы двигателей ESC — это устройства, управляющие вращением бесщеточных двигателей квадрокоптера. При получении сигналов с контроллера полета или приемника ESC подбирает напряжение/импульсы так, чтобы двигатель работал с нужной скоростью. Обычно ESC имеет следующие возможности:
- Прием импульсов PWM (или цифровых протоколов, как DShot) от контроллера.
- Преобразование этих импульсов в управление двигателем.
- Звуковые сигналы (джипы) при старте, калибровке и т.д.
- Защиты (перенапряжение, перегрузка, температура).
Почему важно настроить регуляторы скорости для квадрокоптеров?
- Если границы сигнала (минимум/максимум) неправильно выставлены, двигатели могут реагировать нестабильно, с задержками или даже не запускаться.
- Соответствие между сигналом с радиопередатчиком/контроллером и реакцией ESC гарантирует, что если вы даете команду «газа», квадрокоптер адекватно ответит.
- После апгрейда оборудования (новые двигатели, новые контроллеры, изменение аккумулятора) ESC может потребовать повторной калибровки, поскольку изменились характеристики системы.
Например, инструкция ArduCopter показывает:
«… Калибровка updates all the ESCs with the maximum and minimum PWM input values …»
«… Калибровка обновляет все ESC максимальными и минимальными входными значениями ШИМ …»
Итак, перед настройкой PID контроллера полезно убедиться, что «электронный регулятор скорости» правильно настроен.
Шаг 1: Подготовка к настройке ESC
Перед тем, как перейти к процессу калибровки, выполните следующие подготовительные действия:
- Снимите пропеллеры с квадрокоптера или вообще обеспечьте, чтобы двигатели не могли привести в движение пропеллеры при настройке — это требование безопасности.
- Убедитесь, что радиопередатчик (пульт) и приемник связаны, работают нормально, и что ручка газа (throttle) приведена на минимум.
- Подключите все ESC к контроллеру полета или непосредственно к приемнику (в зависимости от конфигурации) и убедитесь в исправности проводки: питания, «сигнал», земля.
- Убедитесь, что аккумулятор заряжен, но квадрокоптер еще не подключен к аккумулятору (без питания) — это подготовка к этапу калибровки.
- В программе контроллера полета (например, Betaflight Configurator или ArduCopter Mission Planner) проверьте, что каналы приемника работают, что газ действительно идет от минимума до максимума, и что нет аварийных сообщений.
После этого можно переходить к непосредственной калибровке ESC.
Шаг 2: Как откалибровать ESC-регулятор
Теперь рассмотрим процедуру калибровки ESC-регулятора. Есть два основных подхода — «все сразу» (all-at-once) и один ESC. Приведен пример из ArduCopter:
- Включите передатчик, установите ручку газа на максимум.
- Подключите аккумулятор к квадрокоптеру (ESC включен в режим калибровки).
- После звуковых сигналов на ESC опустите ручку газа до минимума.
- Звуковой сигнал подтверждает завершение калибровки.
Аналогично, руководство для PWM-ESC отмечает:
«If your ESC is connected … then you should do an ESC calibration … Калибровочные процессы включают низкие и высокие throttle range for ESC.»
«Если ваша система стабилизации ESC подключена… тогда вам следует выполнить калибровку ESC… Процесс калибровки устанавливает низкий Подробный процесс:
- Отключите аккумулятор.
- Включите передатчик, поднимите ручку газа максимально.
- Подключите аккумулятор: ESC услышат сигнал максимального газа, «считают» его.
- Подождите звуковые сигналы (бипы) ESC.
- Опустите ручку газа до минимума. ESC «считают» минимум.
- Подождите финального сигнала.
- Выключите аккумулятор, отключите все, подключите снова. При нормальной работе двигатели будут реагировать на ручку газа сразу.
Советы и нюансы:
- Если ESC подключен через цифровой протокол типа DShot, часто калибровка не требуется — система уже имеет определенный диапазон.
- Обязательно снимите пропеллеры и обеспечьте, чтобы ничего не могло двигаться во время калибровки.
- Если после калибровки двигатели запускаются с разной задержкой или с разной скоростью — это сигнал, что калибровка не прошла корректно или одна из ESC имеет проблему.
После успешной калибровки ESC вы должны уверенно переходить к настройке контроллера полета — в частности, PID-регуляторов.
Шаг 3: Настройка PID регуляторов для квадрокоптера
Теперь переходим к теме настройки PID регуляторов, то есть параметров P, I и D в контроллере полета, позволяющих квадрокоптеру стабилизироваться, правильно реагировать на команды и «держать» позицию/угол. Это немаловажная часть настройки квадрокоптера. Как отмечено в справке Betaflight:
«The “PIDs” are a set of tuning parametres … Оптимальные PID настройки являются различными на всех craft … некоторые изысканные и error являются необходимыми для того, чтобы сделать лучшие PID settings.»
«PID-регуляторы — это набор параметров настройки… Оптимальные настройки ПОД-регулятора разные на каждом аппарате… чтобы найти лучшие настройки PID-регулятора, нужен метод проб и ошибок.
Что такое P I D?
P (Proportional) — реагирует на текущую ошибку (насколько система отклонилась от желаемого состояния). Если P слишком низкое — Квадрокоптер будет медленно реагировать, неустойчиво. Если P слишком высокое — могут быть вибрации, «качания».
I (Integral) — реагирует на накопившуюся ошибку со временем (например, если квадрокоптер постоянно отклоняется в одну сторону). Если I очень низкое — будет дрейф, квадрокоптер может потихоньку «сползать». Если я слишком высока — могут появиться медленные колебания.
D (Derivative) — реагирует на скорость изменения ошибки (например, предотвращает избыточный отклик и «перепрыгивание»). Если D слишком высокое — система может реагировать слишком агрессивно, мотор может быть горячим, может появиться дрожание.
Пошаговый подход к настройке
Начните со значений немного ниже рекомендованных в прошивке. Например: P=4.0, I=20, D=5 (по осям Roll/Pitch) — это только ориентировочно.
- Выполните низко-рисковый тестовый полет или маневры — обратите внимание на характер реакций квадрокоптера: быстро ли он реагирует, вовремя ли удерживает угол, не имеет ли вибраций, не ”горят” мотор или ESC.
- Увеличивайте P понемногу, пока не заметите слабую вибрацию при больших маневрах (например, быстрый переворот) — затем немного убавьте. Это оптимальный P.
- Если квадрокоптер при быстром отпускании ручек «отскакивает» имеет ли вибрацию — увеличьте D, но осторожно. Если моторы нагреваются — уменьшите D.
- Если квадрокоптер дрейфует на крейсерском полете, или во время подъема/опускания начинает шататься — увеличьте I. Но не слишком — иначе возможны медленные колебания.
- Проверяйте свою настройку при «подрыве газа» (throttle punch) и во время маневров с быстрой сменой направления — это проверяет, как работает PID под нагрузкой.
После апгрейда (двигатели, пропеллеры, вес) — повторите проверку PID. Поскольку сизмененные характеристики платформы, значения могут быть уже не оптимальны.
Типичные ошибки и как их избежать
Ваша проблема — не всегда в PID-настройках. Например, вибрации могут быть вызваны плохо закрепленными компонентами, плохими пропеллерами, не уравновешенной платформой.
- Моторы быстро нагреваются — это сигнал чрезмерного D или неотфильтрованных вибраций.
- Не изменяйте все три параметра одновременно — изменяйте по одному, с оценкой эффекта.
- Производите настройки на открытом пространстве, без “перегрунтования” и без посторонних помех.
Шаг 4: Интеграция настроек ESC и PID
Когда настройка регуляторов скорости для квадрокоптеров (ESC) завершена, и базовая настройка PID сделана, важно взглянуть на взаимодействие этих двух компонентов — ESC и контроллер полета. Вот важные моменты:
- Если ESC еще не правильно откалиброван, сигналы контроллера полета к двигателям могут быть «кривыми», что затрудняет PID-настройки.
- Если двигатели реагируют с задержкой или неравномерно из-за недостаточно точной ESC-калибровки, PID-контроллер может «перерабатывать» ситуацию, приводя к колебаниям или нестабильности.
- После смены пропеллеров, аккумулятора или моторов, обязательно произведите повторную калибровку ESC и проверьте PID — платформа изменилась, и старые настройки могут быть недостаточными.
Протокол связи между контроллером полета и ESC имеет значение: цифровые (например DShot) дают более точный и быстрый сигнал, что может облегчить настройку PID. В случае PWM-регулирования рекомендуется произвести ESC-калибровку.
Практический пример: с чего начать (для 4-моторного квадрокоптера)
- Установите квадрокоптер на подиум, пропеллеры сняты.
- Выложите передатчик, подключите приемник, убедитесь в канале газа.
- Произведите калибровку ESC (см. шаг 2).
После успешной калибровки подключите аккумулятор, подняв газ до минимума — убедитесь, что все моторы сразу реагируют одинаково.
Установите исходные значения PID: например: Pitch/Roll P=4.0, I=20, D=5; Yaw P=2.0, I=15, D=3 (условные значения, под модель могут быть другие).
Взлетите, выполните несколько плавных маневров, наблюдайте: есть ли вибрации, стремительно ли реакция, удерживается ли угол.
Если чувствуете «вялость» – немного повысьте P. Если после маневра квадрокоптер «прыгает» – немного уменьшите P или увеличьте D. Если дрейфует — увеличьте I.
Повторите тест с более агрессивными маневрами — «пунч газа», быстрое изменение направления — проверьте, не являются ли осцилляции.
После стабильного полета — запишите настройки, сделайте резервную копию.
При смене оборудования или больших нагрузках – повторно проверьте калибровку ESC и PID.
Советы по безопасности и надежности
- Всегда выключайте питание, когда работаете с соединениями моторов или проводкой ESC.
- При калибровке ESC — пропеллеры должны быть сняты. Это обязательное условие.
- Убедитесь, что двигатели не нагреваются излишне: если после короткого полета невозможно держать палец на корпусе двигателя более нескольких секунд — это знак перегрева.
- Контроллер полета должен быть установлен на вибропоглощающие монтажные элементы, чтобы минимизировать вибрации, влияющие на PID-работу.
- Сохраняйте журнал настроек (значение PID, версия прошивки, тип ESC, моторов) — это поможет в случае необходимости вернуться в рабочее состояние.
При тестовых полетах используйте открытое пространство без помех, избегайте людей, животных, зданий.
Настройка квадрокоптера — это сочетание трех ключевых компонент: электронный регулятор скорости (ESC), правильная калибровка регуляторов двигателей ESC, а также настройка PID регуляторов контроллера полета. Без корректной ESC-калибровки даже идеальные PID-значения могут не дать желаемого результата. И наоборот – — даже с правильной ESC-настройкой, если PID-регуляторы не адаптированы к конкретной платформе, квадрокоптер может вести себя нестабильно.
Процесс выглядит так:
Подготовка → 2. Калибровка ESC → 3. Начальные PID-настройки → 4. Тестовые полеты → 5. Корректировка PID → 6. Финальные испытания.
Благодаря этому вы получите квадрокоптер с четким, предполагаемым поведением, который реагирует на ваши команды эффективно и безопасно.
Если у вас есть конкретная модель ESC или контроллера полета — могу предоставить настройки или советы именно для вашей конфигурации.
