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深度剖析飞控(平衡仪)软件技术,分享Arkbird飞控设计心得

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发表于 2012-6-8 08:46:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
Arkbird飞控从2010年开始试飞调试,最初受到江南大哥、蚁王的交流和讨论帮助(当时在做开源的红外版),他们人都相当不错,在此向他们表示由衷的感谢,并想分享一些飞控设计、调试心得、测试资料。对于大家深入了解飞控也有一定的帮助。


一.        软件的差异性和重要性
1.jpg

以上是三款国外开源飞控,外表看起来差不多,但是性能和价格相差很大。为什么呢?

读了开源程序发现,KK飞控只有200行左右,MK有4000多行,软件才是真正区分飞控的关键。

硬件制板只要10天,软件调试少则半年、多则一年,

可以毫不夸张的说,硬件、外设是瓶,软件才是瓶中酒。而大多数用户雾里看花,看不到飞控软件的区别。

软件调一年?夸张了吧?要调试什么呢?请往下看:



二.        没有好的算法,传感器啥都测不到
2.jpg
油门变大,传感器变得惨不忍睹。不同的滤波算法,图中蓝色、红色、黄色、棕色几根线(4个值求平均、8值平均、16平均,卡尔曼滤波)区别就很大了。

即使传感器选型一样,不同工程师选取算法不同,区别很大。抗震性能,会完全不一样。

做无人机的会用大名鼎鼎的“卡尔曼算法”,Arkbird用的是“简化”版的“卡尔曼算法”。该算法的好处,可以从混乱的值中,找到真值。

为了做好算法,要调试好几个月。

三.        干扰加速度影响
3.jpg
飞控靠重力测垂直,有时候会很不靠谱。比如坐在过山车里,车子加速会感到“推背感”,转弯的时候会感到“往外甩”,在过山车里挂一个坠子,坠子会甩得乱七八糟。所以重力测定,会很不准确。

干扰加速度大的时候可以达到3-4倍重力。很吓人吧,如果不做软件估算并补偿,重力会被完全淹没掉,现在大多数飞控都有“加速度健康值”一项显示,但此值没有计算标准,有可能同样的飞行,A飞控“健康值”为0,但B飞控“健康值”能为50,这与工程师设计、调试也有关。

当然也有不少飞控是不做补偿的。

4.jpg
这是模友的飞行截图,可以看到139km/h以上时,健康值只剩下5了。


四.        姿态解算

刚才讲了传感器容易不准确,再用这不准确的测量值,计算飞行姿态,

欧拉角、四元数算法(分为一阶、二阶、有的无人机用十六阶),不同的姿态解算办法,准确性也有差异,看看下图两曲线的吻合度。这些差异都是“动态误差”,也就是说地面看不出来,只有飞起来才看得出来:
5.jpg
为了做得更准,又要调试好几个月。


五.        PID--“飞行控制算法”

在百度文库搜索“PID”论文,结果共1453197篇。PID种类丰富。有简单的、微分先行、模糊控制、神经网络控制、自适应(自学习)控制……..本人对模糊控制情有独钟,不同设计师也会选取不同的算法。

PID调节需要一个工程师长期经验。通常是要测量系统响应曲线、分析系统极点(震荡点),搞无人机的兄弟还会做matlab仿真,画很多的响应图、极点分析。写很多论文。

然后调啊调,终于有一天,发现调得很稳了,就像下面这张图,“模糊控制”曲线比“变PID控制”曲线震荡小,更稳。
6.jpg
升级一点,采用微分先行(避免控制值突变)、增加各种智能控制、限幅之类。

花这么多时间调这个有什么用呢?调好了,看看大疆的四轴漂亮的“锁点”、老外用四轴打乒乓球、用四轴盖房子,相当之稳定,锁在空中跟静止了似的。


六.        关于螺旋失速

微风+2212电机+2200mah电池,相当好飞,相信极少有人能把它飞螺旋掉。

但Arkbird在11年7月份调PID时,居然能把微风都飞螺旋了。如下视频,可以看出螺旋是种“非常诡异”的状态。而且螺成这样,大概不是飞机本身的原因。


查资料说,螺旋是因为气流分离,舵量无效。拿扔扑克作比方。如果扑克“切着风”扔,可以飞很远;如果扑克“气流分离”了,那么它会像一张纸片一样飘落。

于是在PID控制算法里,增加防止气流分离的办法(慢速控制),问题迎刃而解。
7.jpg
所以有人问Arkbird为何不配售空速计,当然不是因为我们技术太差,做不出来。

而是对于无人机和大型飞机,空速慢了很危险、容易失速,增加空速计能有效防止大飞机失速。对于小型航模,稍微有点油门就很不容易“气流分离”或者“失速”。在优化控制算法后,没有一例Arkbird用户反馈螺旋、失速,空速计作用也就暂时不大了。

七.        其它软件细节

以上表示了同等硬件下,不同软件造成的较大差异,甚至几倍的差异。除此之外,还有更多的细节、例如升降舵-副翼混控(转弯拉杆)、油门-升降舵混控(加油时拉杆)……

这些软件的功夫,可能做了几个月,用户一点都看不到。

KK飞控200行程序,一样有人能调得脱控飞行,国外的牛逼飞控,也能脱控飞行(甚至打兵乓球),
所以也许,飞控的好坏,看飞行视频、不是真正到手对比,可能都不客观。

最后,分享刚才提到的传感器震动测试资料、一共30个文档,包含各种传感器的测试数据。对大家DIY飞控有帮助。

DIY飞控的人,比大家想象的多。前几天加了个飞控DIY群,近200号人。相信每个做飞控的人,都是热爱飞行,热爱技术的。

8.jpg


滤波 传感器测试.rar (813.5 KB, 下载次数: 2440)

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yousun + 8 原创内容 谢谢分享!

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 楼主| 发表于 2012-8-5 15:44:37 | 显示全部楼层
本帖最后由 AlienHit 于 2012-8-6 20:17 编辑

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发表于 2012-6-13 21:01:57 | 显示全部楼层
顶一下,写程序不容易。 其中滋味只有自己体会。
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发表于 2012-6-13 01:47:30 | 显示全部楼层
呃。。。这贴没人顶?????
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发表于 2012-6-11 09:45:19 | 显示全部楼层
围观!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
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发表于 2012-6-14 21:17:30 | 显示全部楼层

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不懂,单顶起
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发表于 2012-6-15 01:16:06 | 显示全部楼层

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碰下运气~
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发表于 2012-6-22 11:10:13 | 显示全部楼层
航模小白哦 发表于 2012-6-15 01:16
碰下运气~

ding
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发表于 2012-6-22 11:10:33 | 显示全部楼层
特种兵1973 发表于 2012-6-22 11:10
ding

dingding
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发表于 2012-6-22 16:31:39 | 显示全部楼层
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发表于 2012-6-22 16:47:24 | 显示全部楼层

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发表于 2012-6-23 10:31:01 | 显示全部楼层
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发表于 2012-6-23 13:26:24 | 显示全部楼层
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发表于 2012-6-24 13:42:41 | 显示全部楼层
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发表于 2012-6-27 08:53:49 | 显示全部楼层
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发表于 2012-6-28 14:34:01 | 显示全部楼层
现在在用这控··很不错·从调试到试飞·店主很热心·而且免调模式不是别的飞控可以比的
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