Аналіз логів ArduPilot: вібрація, кліпінг, фільтри та PID

Ваш ArduCopter не утримує висоту, дрейфує в Loiter, видає попередження EKF або дзижчить після autotune. Зазвичай причина — вібрація: оцінка положення погіршується, і автопілот бореться з тим, чого насправді немає. Порядок завжди однаковий: правильний лог → вібрація та кліпінг → спектр і notch-фільтр → фільтри низьких частот → PID. Нижче наведено пороги, які застосовує bbdoctor, і цифри з реальних логів ArduCopter.

Як отримати потрібний лог і ввімкнути швидкий запис

Потрібен бортовий лог DataFlash .bin (Mission Planner → DataFlash Logs → Download або папка APM/LOGS на SD-картці); у телеметрійному .tlog недостатньо даних. Які дані записуються, визначає LOG_BITMASK. Тут важливі п'ять бітів:

До версії 4.5 стандартна маска — 176126; у 4.6 додали біт PID, тож вона стала 180222. У всіх десяти логах ArduCopter із нашої тестової вибірки (версії 4.1–4.8-dev, контролери від fmuv2 до Pixhawk 6X, а також два запуски SITL) IMU записувався з частотою 25 Гц, а RATE, RCOU і VIBE — 10 Гц. Цього достатньо для VIBE та середнього навантаження на мотори, але не для спектра, перевірки фільтрів чи реакції PID.

У Mission Planner просто поставте позначки ATTITUDE_FAST та IMU_RAW у LOG_BITMASK. Якщо в логові немає сирих даних гіроскопа, bbdoctor додає відсутні біти до поточної маски. Для 176126:

LOG_BITMASK = 700415
INS_RAW_LOG_OPT = 9

Для 180222, як і в усіх наших логах версії 4.7, потрібне значення — 704511. Параметр INS_RAW_LOG_OPT = 9 (основний гіроскоп до та після фільтрації) з'явився у версії 4.5; для логів 4.3.7 bbdoctor пропонує лише LOG_BITMASK = 700415, оскільки там сирий запис вмикає сам біт 19.

Логи збільшуються в десятки разів, а повільні контролери чи картки можуть пропускати дані (bbdoctor повідомляє «Пропуски в записі»). ArduPilot описує запис сирих даних IMU для контролерів H7, тому на F4 на кшталт fmuv2 очікуйте пропуски. Після тесту поверніть попередні значення LOG_BITMASK і INS_RAW_LOG_OPT = 0.

Тестовий політ, 3–5 хвилин: зависніть, плавно змініть газ значно вище рівня зависання й поверніть назад, зробіть кілька коротких різких рухів стіками по кожній осі на безпечній висоті. Без фліпів.

bbdoctor відхиляє логи не від коптерів і логи без IMU чи RCOU (в одному великому реальному логу квадрокоптера біт 7 був увімкнений, але повідомлень IMU не було: завантажте повний .bin, а не обрізаний експорт). Логи SITL (параметри SIM_*) проходять без перевірок апаратури. Налаштування запису для будь-якої прошивки описано в посібнику з налаштування логування.

VIBE і кліпінг: два різні сигнали

VIBE.VibeX, VibeY і VibeZ — стандартне відхилення показань акселерометра в м/с², тобто середня сила тряски. VIBE.Clip (у старіших версіях Clip0–Clip2) рахує відліки, що досягли межі діапазону сенсора; лічильник накопичується від увімкнення й не скидається між польотами. bbdoctor оцінює їх так:

• VIBE: 95-й перцентиль для кожної осі за час перебування в повітрі. Нижче 30 м/с² — нормально, 30–60 — попередження, 60 і вище — критичний рівень (пороги з документації ArduPilot);
• Clip: приріст лічильника від першого зльоту до останньої посадки; понад 0 — попередження, понад 100 — критичний рівень. Кліпінг під час армінгу або після останнього торкання землі не враховується. Документація ArduPilot погоджується: в ідеалі лічильник має бути нульовим, кілька спрацьовувань під час жорстких посадок допустимі, стабільне зростання — серйозна проблема.

Чому потрібні обидва показники: реальний лог ArduCopter 4.7.0, fmuv2, 4S, сім польотів, 414 с у повітрі.

VIBE проходить перевірку: 29 за порога 30. Але кліпінг стався 424 рази (критичний рівень у bbdoctor), і дані по кожному польоту підтверджують, що це не випадковість:

• Кліпінг буває і за «нормального» VIBE. VIBE показує середнє, а кліпінг виявляє піки. Короткі удари (незакріплений акумулятор, дріт, що б'є по FC, несправний підшипник) майже не змінюють середнє, але насичують сенсор, і EKF отримує нісенітні дані.
• Перцентиль за всім логом приховує найгірший політ: загалом Z дорівнює 29, а в останньому польоті — 32. Кліпів за хвилину: 19 у першому польоті, 134 в останньому. Щось розхитується.
• Причина не в різких наборах висоти. Медіанний газ під час кліпінгу становив 23% — стільки ж, як за весь політ; усе сталося в режимах самовирівнювання. Причина механічна.

Октокоптер (CubeOrangePlus, 4.5.7) мав 64 кліпи за весь лог, але лише 19 у польоті, тож bbdoctor попередив про 19. Зі справним Tarot X4 на 4.5.5 (на рисунку нижче): X — 3, Y — 3, Z — 7 м/с², Clip = 0.

Поки не усунете VIBE і кліпінг, не чіпайте фільтри та PID. Щоб знайти несправний мотор, дивіться посібник із вібрації моторів. Повідомлення «Vibration compensation ON» означає, що failsafe вібрації (FS_VIBE_ENABLE, за замовчуванням увімкнений) уже перемкнув утримання висоти на оцінку, стійку до вібрації.

Спектр гіроскопа й гармонічний notch-фільтр

Коли сирі дані гіроскопа записані (GYR), bbdoctor будує спектр до та після фільтрації й шукає піки, що не змінюються разом із газом: резонанси рами. Він радить підтягнути раму, а як тимчасове рішення пропонує другий notch-фільтр, INS_HNTC2_*, у фіксованому режимі — лише коли частота однозначна. Якщо пік може бути аліасом, він наводить можливі частоти й просить короткий лог із сирими даними гіроскопа. Для резонансу 140 Гц:

INS_HNTC2_ENABLE = 1
INS_HNTC2_MODE = 0
INS_HNTC2_FREQ = 140
INS_HNTC2_BW = 70
INS_HNTC2_ATT = 40

Інше джерело даних — пакетний семплер (INS_LOG_BAT_MASK, INS_LOG_BAT_OPT, біт IMU_RAW вимкнено): серії по 1024 відліки (ISBH/ISBD), які майже не збільшують лог. bbdoctor поки їх не читає; скористайтеся вебінструментом ArduPilot Filter Review або FFT у Mission Planner. Ось Tarot X4.

Notch-фільтр працює в режимі FFT (INS_HNTCH_MODE = 4). Найсильніша складова — 67 Гц, далі 134 і 202. Частота 34 Гц схожа на частоту обертання (близько 2000 об/хв), а 67 Гц — її друга гармоніка, проходження лопатей дволопатевого пропелера. Але вікно FFT закінчується на 62 Гц, а FFT протягом усього польоту показував 25 Гц — рівно FFT_MINHZ (навчений параметр FFT_FREQ_HOVER теж дорівнює 25.0). Частоту моторів так і не було знайдено.

У режимі FFT notch-фільтр не опускається нижче INS_HNTCH_FREQ, тут це 35 Гц, тож він залишався на цій частоті; другий notch-фільтр стояв на 70 Гц через INS_HNTCH_HMNCS = 3. Випадково це перекриває складові 34 і 67 Гц: порівняно лише з фільтром низьких частот 20 Гц, відфільтрований спектр нижчий приблизно на 10 дБ на 34 Гц і на 17 дБ на 67 Гц, без додаткового ефекту на 134 і 202 Гц. Фільтр працює, але фактично як фіксований.

Ось у чому суть: не все, що можна виправити, треба виправляти зараз. Після фільтрів складові 67, 134 і 202 Гц ослаблені на 35–43 дБ, VIBE — 3/3/7, кліпінгу немає. Але важчий акумулятор або інші пропелери змістять частоти, а FFT за ними не стежитиме. Перед наступним AUTOTUNE я перейшов би на notch-фільтр, прив'язаний до газу:

INS_HNTCH_ENABLE = 1
INS_HNTCH_MODE = 1
INS_HNTCH_REF = 0.2
INS_HNTCH_FREQ = 67
INS_HNTCH_BW = 33
INS_HNTCH_HMNCS = 7

REF — газ під час зависання (MOT_THST_HOVER = 0.20), FREQ — складова на зависанні, BW — її половина, HMNCS = 7 — гармоніки 1–3: 67, 134, 201 Гц. За стандартного INS_HNTCH_FM_RAT = 1 частота фільтра не опускається нижче FREQ. Від notch-фільтра на 34 Гц свідомо відмовляємося: ця складова ледве перевищує шумовий поріг гіроскопа, а фільтр на такій низькій частоті, близькій до робочої частоти регулятора великого коптера, погіршує фазовий запас. Щоб залишити цей фільтр: задайте FREQ 34, BW 17, HMNCS 43 (гармоніки 1, 2, 4, 6: 34, 67, 134, 202 Гц). Або залиште режим FFT і розширте FFT_MINHZ/FFT_MAXHZ, щоб охопити 67 Гц.

Як вибрати INS_HNTCH_MODE (0 — фіксований, 1 — газ, 2 — датчик RPM, 3 — телеметрія ESC, 4 — FFT): за наявності телеметрії RPM — 3. Без телеметрії, але з F7/H7 — FFT, якщо лог показує, що FTN1.PkAvg змінюється разом із газом, а не зависає на FFT_MINHZ. Для слабкого польотного контролера — газ. У режимах ESC, RPM і FFT параметр FREQ задає нижню межу, а REF дорівнює 1; значення REF = 0 фіксує notch-фільтр на FREQ.

Фільтри низьких частот: INS_GYRO_FILTER і ATC_RAT_*_FLTD

INS_GYRO_FILTER — фільтр низьких частот гіроскопа, за замовчуванням 20 Гц (у логові 4.7 і Tarot; у логові 4.3.7 — 40). ATC_RAT_RLL_FLTD/_PIT_FLTD фільтрують D-складову (20 у логові 4.7, 10 на Tarot), FLTT — задане значення, FLTE — похибку (2–2,5 Гц по yaw). Початкові значення в Mission Planner (Initial Tune Parameters) залежать від розміру пропелерів: що менші пропелери, то вища частота зрізу.

• Підвищуйте INS_GYRO_FILTER лише після того, як notch-фільтр прибирає частоти моторів: затримка зменшиться, реакція стане чіткішою.
• Змінюйте на 10–20% за раз і після кожної зміни робіть короткий політ; зніміть з апарата охорону, від'єднайте акумулятор і перевірте мотори на дотик. Теплі — нормально; гарячі — поверніть попередні значення.
• VIBE у нормі, відфільтрований спектр чистий, апарат літає добре — залиште фільтри як є. На Tarot я б їх не чіпав.

Пастка під час аналізу: лог із частотою 25 Гц показує рух лише до 12,5 Гц; усе швидше відображається як хибна нижча частота. Тому bbdoctor не перевіряє фільтри й PID за такими логами та повідомляє про це. Докладніше — у посібнику з фільтрів.

PID: що видно в логові й коли запускати AUTOTUNE

Регулятор швидкості обертання використовує ATC_RAT_RLL_P, _I, _D, _FF і відповідні параметри для PIT та YAW. bbdoctor порівнює задане значення RATE.RDes (а також PDes і YDes) із показаннями гіроскопа: перерегулювання, затримку, коливання після різкого руху. RDes формується після обробки вхідного сигналу: ATC_INPUT_TC згладжує його, але не змінює якість відстеження гіроскопом, тож так вимірюється саме регулятор швидкості обертання. Потрібен запис із частотою 200 Гц; інакше bbdoctor повідомляє: «Не можна оцінити PID за цим логом: гіроскоп записувався на частоті 25 Гц» і наводить команди з першого розділу.

Для ArduCopter вбудований AUTOTUNE зазвичай надійніший, але запускайте його лише після усунення вібрації та налаштування notch-фільтра:

1. VIBE нижче 30, Clip не зростає, notch-фільтр налаштований.
2. Призначте AUTOTUNE на перемикач; осі задаються в AUTOTUNE_AXES (1 — roll, 2 — pitch, 4 — yaw; 7 — усі три), агресивність — у AUTOTUNE_AGGR (0.075 в обох логах вище).
3. Використовуйте AltHold, Loiter або PosHold у тиху погоду; на кожну вісь потрібно кілька хвилин, тож залиште достатній запас акумулятора.
4. Щоб зберегти результат, сядьте й зніміть апарат з охорони, не вимикаючи перемикач.

Інші поради ArduPilot, які bbdoctor надає, коли лог записаний із достатньою частотою:

• На великому газі реакція сильніша. У ArduPilot для коптерів немає TPA, тому краще лінеаризуйте тягу: збільште MOT_THST_EXPO на 0.05 (наприклад, 0.65 → 0.7). Не допомогло? Зменште P і D на 10% і повторно запустіть AUTOTUNE.
• Пропвош під час різкого скидання газу, коли мотори на мінімумі. Підвищте MOT_SPIN_MIN на 0.02, залишивши його щонайменше на 0.03 вище за MOT_SPIN_ARM. У логові 4.7 значення дорівнює 0.08, а MOT_SPIN_ARM — 0.04, тож рекомендація була б змінити 0.08 → 0.1. Дивіться посібник із пропвошу.

Є дві речі, які bbdoctor не перевіряє. Компенсація напруги: у логові 4.7 MOT_BAT_VOLT_MAX = 0, а MOTB.BatVolt тримається на рівні 1.00, отже компенсацію вимкнено й регулятор слабшає в міру розряджання акумулятора. Для 4S:

MOT_BAT_VOLT_MAX = 16.8
MOT_BAT_VOLT_MIN = 13.2

Це 4.2 і 3.3 В на банку; задайте ці значення до AUTOTUNE, адже вони змінюють ефективне підсилення. А ще PIDR.Dmod: якщо він часто падає нижче 1, обмежувач швидкості зміни ATC_RAT_*_SMAX гасить коливання, а підсилення вже на межі. У логові 4.7 значення постійно дорівнює 1.00 (запис із частотою 10 Гц, тож дуже короткі падіння могли не потрапити в лог).

Виходи моторів із частотою 10 Гц: навантаження видно, шум — ні

Стандартні логи записують RCOU з частотою 10 Гц; bbdoctor зазначає: «Виходи моторів записуються з частотою 10 Гц — видно середнє навантаження, але не шум моторів». Ось що все ж можна побачити:

• Зміщений центр мас. Порівнюється середня команда для моторів по боках: різниця від 12% — попередження, понад 30% — критично. В іншому логові 4.7 задні мотори працювали на 62,1%, передні — на 55,2%, тобто на 13% більше — це попередження. У логові з кліпінгом середні значення M1–M4 становили 44,4 / 46,9 / 40,2 / 46,0%, різниця між передньою та задньою частинами — близько 10%, нижче порога.
• Нахилений мотор: мотори, що обертаються в одному напрямку, навантажені на 12% більше, ніж інша пара.

Зважайте на порядок моторів: у ArduCopter Quad X M1 — спереду праворуч, M2 — ззаду ліворуч, M3 — спереду ліворуч, M4 — ззаду праворуч; у Betaflight порядок інший.

Щоб знайти мотор із вібрацією, потрібні оберти: двонаправлений DShot (SERVO_BLH_BDMASK, DShot у MOT_PWM_TYPE, правильне значення SERVO_BLH_POLES) або дротова телеметрія ESC. У Tarot задано 28 полюсів, але використовується звичайний PWM, тож даних RPM немає. За наявності RPM bbdoctor порівнює мотори, а notch-фільтр можна налаштувати в режимі 3.

Failsafe й акумулятор

Після крашу спершу перевірте, чи взагалі налаштовано failsafe; коли підозрює проблему зі зв'язком або акумулятором, bbdoctor звертає увагу на такі параметри. Лог 4.7 (4S):

FS_THR_ENABLE = 1
FS_THR_VALUE = 950
BATT_LOW_VOLT = 14.4
BATT_CRT_VOLT = 14.0
BATT_FS_LOW_ACT = 2
BATT_FS_CRT_ACT = 1

• FS_THR_ENABLE = 1 означає RTL у разі втрати сигналу. FS_THR_VALUE має бути нижче за мінімальний газ передавача й вище за значення, яке приймач видає в режимі failsafe. Перевірте на столі, зі знятими пропелерами.
• 14,4 і 14,0 В — це 3,6 та 3,5 В на банку; дії 2 (RTL) і 1 (посадка). У Tarot (6S, 30 000 мА·год) задано 3,1 і 2,95 В на банку: нормально для Li-ion, надто низько для LiPo.
• Напруга має залишатися низькою протягом BATT_LOW_TIMER (за замовчуванням 10 с), тож короткі різкі набори висоти не спричинять спрацювання. Якщо це відбувається під час тривалого набору висоти, задайте BATT_FS_VOLTSRC рівним 1 (з компенсацією просідання напруги).

bbdoctor показує напругу на старті, мінімум під навантаженням і внутрішній опір. Лог 4.7: на старті 4,11 В на банку, мінімум під навантаженням — 3,76 В (трималося 0,5 с), наприкінці — 3,91 В, піковий струм 13 А, близько 1010 мА·год, приблизно 10 мОм на банку (оцінка, бо напруга та струм записуються окремо).

Назви параметрів змінюються між версіями

ANGLE_MAX = 3000 у логові 4.5.5 і ATC_ANGLE_MAX = 30 у логові 4.7 — це однакові 30°. Під час оновлення прошивка сама перетворює значення; помилка виникає, коли вручну копіюють числа зі старого логу чи допису на форумі. Якщо перенести значення Tarot ATC_ACCEL_R_MAX = 48000 у ATC_ACC_R_MAX замість 480, ви задасте прискорення у сто разів вище.

Автоматична перевірка

Безкоштовно завантажте свій .bin у bbdoctor. Сервіс виконає наведені вище перевірки (логування, VIBE, кліпінг, навантаження на мотори, акумулятор, а також спектр і PID для швидких логів), повідомить, чого бракує, і запропонує параметри у форматі НАЗВА = значення. Пакетний семплер, дані FFT, компенсацію напруги й Dmod потрібно перевірити самостійно. Пороги налаштовані для FPV-квадрокоптерів, тож для великих апаратів порівнюйте з попередніми логами того самого планера. Перегляньте приклад звіту; для PX4 — посібник із ULog.

Оновлено: 2026-10-22