Utrzymanie w równowadze niestabilnej platformy jaką jest quadrokopter wymaga dwóch podstawowych rzeczy: dobrej jednostki inercyjnej, która jest źródłem informacji o położeniu w przestrzeni, oraz zestawu regulatorów sterujących mechanizmami wykonawczymi (tu czterema silnikami) tak aby utrzymać ją możliwie jak najbliżej zadanych wartości kątów orientacji.

Na obecnym etapie rozwoju, quadrokopter stabilizowany jest kaskadą regulatorów PID. Każdy z 3 kątów oraz wysokość ma swoje dwa regulatory połączone kaskadowo.

Pierwszy regulator sterujący bezpośrednio regulatorem prędkości obrotowej silnika (ESC) stabilizuje pierwsza pochodną regulowanego parametru, czyli prędkością kątową pochylania, przechylania i odchylania a w przypadku wysokości prędkością pionową. Wartościami odniesienia są tutaj prędkości kątowe z żyroskopów, oraz wariometr. Do latania ręcznego w zasadzie tyle wystarczy. Tak właśnie działają najprostsze sterowniki lotu (FC - Flight Controller). Zadaniem pilota jest ręczne stabilizowanie platformy. Chcąc zawisnąć poziomo, musi utrzymać wszystkie regulatory w zerze. Taki tryb pracy umożliwia, przynajmniej teoretycznie latanie pod dowolnymi kątami, nawet do góry nogami, dlatego nazywany jest trybem akrobacyjnym (Acro).

Chcąc móc skupić się na wykonywaniu konkretnego celu a nie samym locie potrzeba czegoś więcej. Do tego służy drugi kontroler w kaskadzie, który stabilizuje kąty pochylenia, przechylenia i odchylenia, oraz wysokość. Punktem odniesienia tutaj są kąty z jednostki inercyjnej + wartość zadana wprowadzona drążkami aparatury przez pilota. Dobrze nastrojony regulator powinien móc utrzymać platformę pod zadanym kątem i na zadanej wysokości. Taki tryb nazywa się stabilnym i zwykle ma ograniczone możliwości ręcznego wytrącania platformy z równowagi. Puszczenie drążków aparatury przynajmniej teoretycznie powinno skutkować zawiśnięciem w jednym miejscu (w praktyce bywa różnie).

Opisując regulator, kluczowe jest stwierdzenie "dobrze nastrojony". Każdy regulator PID ma 3 podstawowe nastawy: wzmocnienie Kp (Proportional gain), czas zdwojenia Ti (Integral time) i czas różniczkowania Td (Derivative time). U siebie dodałem jeszcze regulowany ogranicznik całki członu całkującego (Integrator limit). To wszystko daje nam łącznie 32 parametry. Większość z nich jest mocno ze sobą powiązana i nastrojenie tego nie jest banalna czynnością.

Do tej pory stroiłem w ten sposób że dobierałem nastawy, startowałem obserwowałem zachowanie się w powietrzu i po wylądowaniu nanosiłem korektę w konfiguracji. Jest to bardzo czasochłonna metoda, dlatego zdecydowałem się oprogramować metodę strojenia on-line wykorzystując wolny kanał z potencjometrem w aparaturze RC.

Przed lotem wybieram jaki parametr będę testował i definiuję zakres w jakim chcę go zmieniać. Oprogramowanie przelicza proporcje między kątem obrotu potencjometru a wybranym zakresem nastaw. Wartość wybraną w danej chwili przesyłam kanałem telemetrycznym do komputera, wiec mogę sprawdzić wartość liczbową danej regulacji. W tej chwili w trakcie jednego lotu mogę przetestować wiele nastaw danego parametru. Praktycznie wystarcza to do nastrojenia regulatora.

Tak wygląda u mnie w oprogramowaniu okno do regulacji nastaw regulatorów PID:

Zakładkami wybiera się rodzaj regulowanego parametru. W górnym panelu są nastawy obu regulatorów w kaskadzie i przełącznik (Flight mode) umożliwiający rodzaj konfiguracji kaskady. Na dole od lewej są wzmocnienia dla regulacji ręcznej z aparatury dla obydwu trybów pracy. Następnie parametry określające zakres regulacji wysterowania silników i po prawej nastawy strojenia: wybór strojonego parametru i zakres jego zmian.

Poniżej przykładowy wykres uzyskany w czasie strojenia. Jest to strojenie wzmocnienia członu proporcjonalnego regulatora prędkości pionowej (wariometr). Regulatora pracuje jako pojedynczy (bez pracy kaskadowej z regulatorem nadrzędnym) i stabilizuje prędkość pionową. Dobra stabilizacja to możliwie gładki i prostoliniowy wykres wysokości (niebieski na górnym wykresie). Wykres biały to zadane wolnym kanałem z aparatury wzmocnienie regulatora.

Na środkowym wykresie linią pomarańczową zaznaczona jest wartość zadana (drążek gazu w aparaturze) a błękitną linią zmierzona przez wariometr prędkość pionowa (wartość regulowana).

Na dolnym wykresie składowe regulatora PID: P -czerwona, I- zielona, D-niebieska oraz finalny sygnał całego PID linią żółtą.

Strojenie było zaczynane od bardzo małych wartości wzmocnienia Kp. Początkowy efekt to duże oscylacje prędkości i duża odchyłka. Zwiększając wzmocnienie do 0,5 oscylacje maleją. Próba obniżenia wzmocnienia powoduje ponowne pojawienie się oscylacji. To strojenie pokazuje że można ustawić jeszcze większe wzmocnienie.

Kolejna seria strojenia. Tym razem strojony jest czas różniczkowania tego samego regulatora, tyle ze pracującego w kaskadzie. Regulator nadrzędny stabilizuje wysokość, dlatego wykres wysokości dąży do osiągnięcia linii prostej. Znaczenie linii wykresu takie samo jak wyżej. Jedynie wartością zadaną nie jest Kp tylko Td. Zwiększając czas różniczkowania uzyskujemy silniejszą akcję różniczkującą objawiającą się większą amplitudą sygnału różniczkującego (niebieski wykres na dole).