Налаштування та програмування регуляторів швидкості для квадрокоптерів
Коли ви збираєте або обслуговуєте квадрокоптер, одним із ключових етапів є налаштування регуляторів швидкості (ESC) і налаштування PID регуляторів на контролері польоту. Саме правильно налаштовані електронний регулятор швидкості (ESC, від англ. Electronic Speed Controller) і відповідна система стабілізації дозволяють квадрокоптеру реагувати на ваші команди чітко, ефективно та безпечно. У цій статті ми розглянемо, з чого складається процес налаштування квадрокоптера, як програмування регуляторів швидкості (ESC) проводиться, а також як правильно відкалібрувати ESC-регулятор і налаштувати PID-регулятори для оптимальної роботи.
Цей матеріал буде корисний як для тих, хто лише починає роботу з квадрокоптерами, так і для більш досвідчених користувачів, які хочуть удосконалити налаштування. В цій статті вже коротко та ясно пояснювали що до чого, тепер розкажемо більш детально.
Що таке ESC і навіщо потрібно його налаштовувати
Регулятори двигунів ESC — це пристрої, що керують обертанням безщіткових двигунів квадрокоптера. Отримуючи сигнали з контролера польоту або приймача, ESC підбирає напругу/імпульси так, щоб двигун працював з потрібною швидкістю. Зазвичай ESC має такі можливості:
- Прийом імпульсів PWM (або цифрових протоколів, як DShot) від контролера.
- Перетворення цих імпульсів у керування двигуном.
- Звукові сигнали (джипи) при старті, калібруванні тощо.
- Захисти (перенапруга, перевантаження, температура).
Чому важливо налаштування регуляторів швидкості для квадрокоптерів?
- Якщо межі сигналу (мінімум/максимум) неправильно виставлені, двигуни можуть реагувати нестабільно, з затримками або навіть не запускатися.
- Відповідність між сигналом з радіопередавача/контролера та реакцією ESC гарантує, що коли ви даєте команду «газу», квадрокоптер адекватно відповість.
- Після апгрейду обладнання (нові двигуни, нові контролери, зміна акумулятора) ESC може потребувати повторної калібровки, оскільки змінилися характеристики системи.
Наприклад, інструкція від ArduCopter показує:
«… The calibration updates all the ESCs with the maximum and minimum PWM input values …»
«… Калібрування оновлює всі ESC максимальними та мінімальними вхідними значеннями ШІМ …»
Отже, перед налаштуванням PID контролера корисно упевнитися, що «електронний регулятор швидкості» правильно налаштований.
Крок 1: Підготовка до налаштування ESC
Перед тим як перейти до процесу калібрування, виконайте такі підготовчі дії:
- Зніміть пропелери з квадрокоптера або взагалі забезпечте, щоб двигуни не могли привести в рух пропелери під час налаштування — це вимога безпеки.
- Переконайтесь, що радіопередавач (пульт) і приймач зв’язані, працюють нормально, і що ручка газу (throttle) наведена на мінімум.
- Підключіть всі ESC до контролера польоту або безпосередньо до приймача (залежно від конфігурації) й переконайтесь у справності проводки: живлення, «сигнал», земля.
- Переконайтесь, що акумулятор заряджений, але квадрокоптер ще не підключений до акумулятора (без живлення) — це підготовка до етапу калібрування.
- У програмі контролера польоту (наприклад, Betaflight Configurator чи ArduCopter Mission Planner) перевірте, що канали приймача працюють, що газ справді йде від мінімуму до максимуму, і що не має аварійних повідомлень.
Після цього можна переходити до безпосередньої калібровки ESC.
Крок 2: Як відкалібрувати ESC-регулятор
Тепер розглянемо процедуру калібрування ESC-регулятору. Є два основні підходи — «всі одразу» (all-at-once) та по одному ESC. Наведено приклад з ArduCopter:
- Увімкніть передавач, встановіть ручку газу на максимум.
- Підключіть акумулятор до квадрокоптера (ESC входять у режим калібрування).
- Після звукових сигналів на ESC, опустіть ручку газу до мінімуму.
- Звуковий сигнал підтверджує завершення калібрування.
Аналогічно, керівництво для PWM-ESC зазначає:
«If your ESC is connected … then you should do an ESC calibration … The calibration process sets the low and high throttle range for the ESC.»
«Якщо ваша система стабілізації ESC підключена… тоді вам слід виконати калібрування ESC… Процес калібрування встановлює низький Детальний процес:
- Відключіть акумулятор.
- Увімкніть передавач, ручку газу підніміть максимально.
- Підключіть акумулятор: ESC почують сигнал максимального газу, «зчитають» його.
- Зачекайте звукових сигналів (біпи) від ESC.
- Опустіть ручку газу до мінімуму. ESC «зчитають» мінімум.
- Зачекайте фінального сигналу.
- Вимкніть акумулятор, від’єднайте все, підключіть знову. При нормальній роботі двигуни реагуватимуть на ручку газу одразу.
Поради та нюанси:
- Якщо ESC підключений через цифровий протокол типу DShot, часто калібрування не потрібне — система вже має визначений діапазон.
- Обов’язково зніміть пропелери і забезпечте, щоб нічого не мало змогу рухатись під час калібрування.
- Якщо після калібрування двигуни запускаються з різною затримкою або з різною швидкістю — це сигнал, що калібрування не пройшло коректно або один із ESC має проблему.
Після успішної калібрування ESC ви маєте впевнено переходити до налаштування контролера польоту — зокрема PID-регуляторів.
Крок 3: Налаштування PID регуляторів для квадрокоптера
Тепер переходимо до теми налаштування PID регуляторів, тобто параметрів P, I і D у контролері польоту, що дозволяють квадрокоптеру стабілізуватися, правильно реагувати на команди і «тримати» позицію/кут. Це важлива частина налаштування квадрокоптера. Як зазначено в довідці Betaflight:
«The “PIDs” are a set of tuning parameters … The optimal PID settings are different on every craft … some trial and error is required to find the best performing PID settings.»
«PID-регулятори — це набір параметрів налаштування… Оптимальні налаштування ПІД-регулятора різні на кожному апараті… щоб знайти найкращі налаштування PID-регулятора, потрібен метод спроб і помилок».
Що таке P I D?
P (Proportional) — реагує на поточну помилку (наскільки система відхилилась від бажаного стану). Якщо P занадто низьке — квадрокоптер буде повільно реагувати, нестійко. Якщо P занадто високе — можуть бути вібрації, «гойдання».
I (Integral) — реагує на накопичену помилку з часом (наприклад, якщо квадрокоптер постійно відхиляється в одну сторону). Якщо I дуже низьке — буде дрейф, квадрокоптер може поволі «сповзати». Якщо I занадто високе — можуть з’явитися повільні коливання.
D (Derivative) — реагує на швидкість зміни помилки (наприклад, запобігає надлишковому відгуку та «перестрибуванню»). Якщо D занадто високе — система може реагувати надто агресивно, мотор може бути гарячим, може з’явитись «тремтіння».
Покроковий підхід до налаштування
Почніть із значень трохи нижчих за рекомендовані в прошивці. Наприклад: P = 4.0, I = 20, D = 5 (по осях Roll/Pitch) — це лише орієнтовно.
- Виконайте низько-ризиковий тестовий політ або маневри — зверніть увагу на характер реакцій квадрокоптера: чи він швидко реагує, чи вчасно утримує кут, чи не має вібрацій, чи не ”горять” мотор чи ESC.
- Збільшуйте P потроху, поки не помітите слабку вібрацію при великих маневрах (наприклад, швидкий переворот) — потім трохи зменшіть. Це оптимальний P.
- Якщо квадрокоптер при швидкому відпусканні ручок «відскакує» чи має вібрацію — збільште D, але обережно. Якщо мотори нагріваються — зменшіть D.
- Якщо квадрокоптер дрейфує на крейсерському польоті, або під час підйому/опускання починає хитатись — збільште I. Але не занадто — інакше можливі повільні коливання.
- Перевіряйте свою налаштування при «підриві газу» (throttle punch) і під час маневрів з швидкою зміною напрямку — це перевіряє, як працює PID під навантаженням.
Після апгрейду (двигуни, пропелери, вага) — повторіть перевірку PID. Оскільки змінені характеристики платформи, значення можуть бути вже не оптимальні.
Типові помилки та як їх уникнути
Ваша проблема — не завжди в PID-налаштуваннях. Наприклад, вібрації можуть бути спричинені погано закріпленими компонентами, поганими пропелерами, не врівноваженою платформою.
- Мотори, які нагріваються швидко — це сигнал надмірного D чи невідфільтрованих вібрацій.
- Не змінюйте усі три параметри одночасно — змінюйте по одному, з оцінкою ефекту.
- Проводьте налаштування на відкритому просторі, без “перегрунтування” і без сторонніх перешкод.
Крок 4: Інтеграція налаштування ESC та PID
Коли налаштування регуляторів швидкості для квадрокоптерів (ESC) завершено, і базове налаштування PID зроблено, важливо поглянути на взаємодію цих двох компонентів — ESC і контролера польоту. Ось важливі моменти:
- Якщо ESC ще не правильно відкалібрований, сигнали контролера польоту до двигунів можуть бути «кривими», що ускладнює PID-налаштування.
- Якщо двигуни реагують з затримкою або нерівномірно через недостатньо точну ESC-калiбрування, PID-контролер може «переробляти» ситуацію, призводячи до коливань або нестабільності.
- Після зміни пропелерів, акумулятора або моторів, обов’язково проведіть повторну калібрування ESC і перевірте PID — платформа змінилась, і старі налаштування можуть бути недостатніми.
Протокол зв’язку між контролером польоту і ESC має значення: цифрові (наприклад DShot) дають більш точний і швидкий сигнал, що може полегшити налаштування PID. У випадку PWM-регулювання рекомендується провести ESC-калібрування.
Практичний приклад: з чого почати (для 4-моторного квадрокоптера)
- Встановіть квадрокоптер на подіум, пропелери зняті.
- Вимістіть передавач, підключіть приймач, переконайтесь у каналі газу.
- Проведіть калібрування ESC (див. крок 2).
Після успішного калібрування підключіть акумулятор, піднявши газ до мінімуму — переконайтесь, що всі мотори реагують одразу та однаково.
Встановіть початкові PID-значення: наприклад: Pitch/Roll P=4.0, I=20, D=5; Yaw P=2.0, I=15, D=3 (значення умовні, під модель можуть бути інші).
Злетіть, виконайте кілька плавних маневрів, спостерігайте: чи є вібрації, чи стрімко реакція, чи утримується кут.
Якщо відчуваєте «млявість» – трохи підвищте P. Якщо після маневру квадрокоптер «стрибає» – трохи підменшіть P або збільшіть D. Якщо дрейфує — збільшіть I.
Повторіть тест із трохи агресивнішими маневрами — «пунч газу», швидка зміна напрямку — перевірте, чи не з’являються осциляції.
Після стабільного польоту — запишіть налаштування, зробіть резервну копію.
При зміні обладнання або великих навантаженнях – повторно перевірте калібрування ESC і PID.
Поради для безпеки та надійності
- Завжди Виключайте живлення, коли працюєте зі з’єднаннями моторів чи проводкою ESC.
- При калібруванні ESC — пропелери мають бути зняті. Це обов’язкова умова.
- Перевірте, чи двигуни не нагріваються надмірно: якщо після короткого польоту неможливо тримати палець на корпусі мотора більше кількох секунд — це знак перегріву.
- Контролер польоту має бути встановлений на вібропоглинальні монтажні елементи, щоб мінімізувати вібрації, які впливають на PID-роботу.
- Зберігайте журнал налаштувань (значення PID, версія прошивки, тип ESC, моторів) — це допоможе у разі потреби повернутися до робочого стану.
Під час тестових польотів використовуйте відкритий простір без перешкод, уникати людей, тварин, будівель.
Налаштування квадрокоптера — це поєднання трьох ключових компонентів: електронний регулятор швидкості (ESC), правильна калібрування регуляторів двигунів ESC, а також налаштування PID регуляторів контролера польоту. Без коректної ESC-калібрування навіть ідеальні PID-значення можуть не дати бажаного результату. І навпаки — навіть із правильною ESC-налаштуванням, якщо PID-регулятори не адаптовані до конкретної платформи, квадрокоптер може вести себе нестабільно.
Процес виглядає так:
Підготовка → 2. Калібрування ESC → 3. Початкові PID-налаштування → 4. Тестові польоти → 5. Коригування PID → 6. Фінальні випробування.
Завдяки цьому ви отримаєте квадрокоптер із чіткою, передбачуваною поведінкою, який реагує на ваші команди ефективно та безпечно.
Якщо ви маєте конкретну модель ESC або контролера польоту — можу надати налаштування або поради саме для вашої конфігурації.
