Dynamic Notch і резонанс рами: що фільтрувати, а що лагодити

Різкий пік у спектрі гіроскопа можна зрізати notch-фільтром або усунути його джерело. У цьому посібнику показано, як відрізнити шум моторів від резонансу рами в логу, як bbdoctor виявляє резонанс і чому іноді не називає його частоту, а також які налаштування notch використовують пілоти в реальних логах Betaflight 4.2–2025.12, INAV 8 і PX4.

Notch, lowpass і RPM-фільтр: що прибирає кожен і якою ціною

Усі ці фільтри очищають сигнал гіроскопа перед PID-контролером і додають затримку. Відрізняються вони тим, на що реагують:

• Lowpass-фільтри (gyro_lpf1_static_hz, gyro_lpf2_static_hz) послаблюють усе вище частоти зрізу. Їхня затримка майже не змінюється в робочому діапазоні керування.
• RPM-фільтр ставить вузькі notch на гармоніках 1×, 2× і 3× кожного мотора, використовуючи телеметрію двонаправленого DShot. Він стежить за моторами й не чіпає решту сигналу. Налаштування описано в посібнику з RPM-фільтра.
• Динамічний notch шукає найсильніші піки в спектрі гіроскопа між dyn_notch_min_hz і dyn_notch_max_hz та ставить на них по dyn_notch_count notch на кожну вісь. Йому байдуже, спричинений пік моторами чи рамою.
• Статичний notch (gyro_notch1_hz, gyro_notch2_hz) завжди стоїть на одній частоті. Це інструмент для одного відомого резонансу.

Затримка notch залежить від його частоти та ширини. Наведені нижче значення обчислено для контуру 4 кГц із бікуадом у стилі Betaflight. Важлива затримка на 20–40 Гц — саме в цьому діапазоні відбувається основний рух дрона.

Звідси два правила. Вузький notch у верхній частині спектра майже нічого не коштує, а широкий або низькочастотний може затримувати сигнал не менше, ніж пристойний lowpass. Три notch поруч додають утричі більшу затримку, ніж один.

Шум моторів чи резонанс рами: діагональні та вертикальні лінії

Найнаочніше це видно на тепловій карті газу: частота по горизонталі, газ угору, яскравість показує рівень шуму. Зі збільшенням газу мотори обертаються швидше, тому їхні гармоніки утворюють діагональні лінії. Резонанс рами — це власна частота конструкції, на яку газ не впливає, тому він утворює вертикальну лінію.

Важливо, що резонанс майже завжди найяскравіший там, де лінія мотора перетинає його. Джерело — мотор, а рама підсилює вібрацію. Це добре видно на 7-дюймовому дроні з Betaflight 4.6. Пілот уже встановив статичний notch на 160 Гц.

bbdoctor не назвав це резонансом: лінія перевищує поріг лише приблизно в половині діапазонів газу, а потрібно 60%. Це обґрунтоване рішення. Такий пік — на межі між резонансом рами й шумом моторів, а наявні фільтри вже з ним справляються. Відфільтрований шум тут становить 0.66 град/с, тож чіпати фільтри немає підстав. Сирий шум, однак, дорівнює 7.9 град/с, і bbdoctor слушно вказує на пропелери, мотори та раму.

Як bbdoctor знаходить резонанс і чому іноді не називає частоту

Розуміння роботи детектора допоможе читати звіт:

1. Політ розбивається на вікна по 256 відліків із перекриттям 50%. Кожне вікно потрапляє в один із 20 діапазонів газу за його середнім значенням. Діапазон враховується, якщо в ньому є щонайменше 4 вікна.
2. Для roll і pitch обчислюється спектр кожного діапазону, а «підлога» — це ковзна медіана за 15 сусідніми частотами. Крок сітки дорівнює частоті запису, поділеній на 256: приблизно 4 Гц у логу 1 кГц і 16 Гц у логу 4 кГц.
3. Частота вважається резонансною, якщо її пік перевищує підлогу більш ніж на 6 дБ щонайменше у 60% діапазонів газу. Ігноруються частоти нижче 60 Гц і верхні 5% діапазону до частоти Найквіста.
4. Піки roll і pitch, віддалені не більш ніж на 10 Гц, об’єднуються в один.

Якщо в Betaflight задано дільник запису, blackbox зберігає кожен N-й відлік без фільтра проти накладання спектрів. Частоти вище половини частоти запису відображаються нижче, тому пік 827 Гц у логу 1013 Гц видно як 186 Гц. Сам лог не дає змоги це виправити, тому bbdoctor показує можливі частоти: f, fs − f і fs + f.

Згідно з кодом, частота однозначна, якщо лог записано з частотою контуру PID або якщо запис ведеться на частоті від 2 кГц і пік розташований нижче половини частоти Найквіста. Для логу 2 кГц це означає нижче 500 Гц. Три польоти дрона 6S — показовий приклад. У них задано blackbox_sample_rate = 1/4, тож справжній резонанс може бути на 186 Гц у променях або на 827 Гц у стеку. Від цього залежить і notch, і те, де шукати проблему.

Для всіх трьох логів bbdoctor повідомляє: «Фільтри: запас є, але послаблювати їх зарано (затримка 2.2–2.3 мс)». Відфільтрований шум становить 0.5–0.6 град/с, але сирий сигнал гіроскопа має 4.8–7.4 град/с і містить резонанс. Підвищення частот зрізу до ремонту механіки й визначення частоти просто пропустить цей пік до PID-контурів.

Налаштування Dynamic Notch у різних версіях Betaflight

Назви параметрів змінювалися двічі — у версіях 4.2 і 4.3. Не знаєш, що є у твоїй прошивці? Введи в CLI get dyn_notch, щоб побачити всі відповідні параметри.

Ось налаштування з реальних логів нашої добірки (у всіх, крім останнього, працює двонаправлений DShot):

Кількість notch. Якщо RPM-фільтр працює, почни з одного або двох. У примітках до 4.3 сказано, що більше двох-трьох рідко потрібно, а часто вистачає одного. Без RPM-фільтра notch перебирають на себе його роботу, тож у примітках радять три або чотири з Q приблизно 120–150.

Q. У примітках до 4.3 значення 300–450 названо хорошим діапазоном для фристайлу. У логах із RPM-фільтром використовують 350–500. Низький Q має сенс лише без RPM-фільтрації, коли notch мусить накрити розмитий шум моторів.

min_hz і max_hz. Знайди на тепловій карті найнижчу лінію, яку потрібно прибрати (з RPM-фільтром це зазвичай резонанс, без нього — перша гармоніка моторів на газу зависання), і встанови dyn_notch_min_hz приблизно на 20 Гц нижче. У примітках радять тримати мінімум якомога вищим, щоб зменшити затримку. У логах вище це 90–120 Гц для менших дронів і 70 Гц для 7-дюймового, мотори якого обертаються на 125–155 Гц за газу 20–35%. Встанови dyn_notch_max_hz трохи вище найвищого потрібного піка: ширший діапазон означає грубішу роздільну здатність.

set dyn_notch_count = 1
set dyn_notch_q = 500
set dyn_notch_min_hz = 100
set dyn_notch_max_hz = 600
save

Це конфігурація дрона 6S із таблиці — розумна відправна точка для 4.3+ із RPM-фільтром, але не універсальний рецепт.

Статичний notch як тимчасове рішення

Якщо частота однозначна, bbdoctor пропонує команду статичного notch: центральна частота дорівнює частоті резонансу, а нижня частота зрізу — 0.7 від неї. Betaflight обчислює Q за центральною частотою та частотою зрізу за формулою Q = f·c / (f² − c²). Якщо c = 0.7f, то Q ≈ 1.37, а смуга на рівні −3 дБ простягається від 0.7f до 1.43f. Вона навмисно широка. Резонанс змінюється через натяг гвинтів і температуру, а теплова карта логу 4 кГц визначає його лише з точністю до половини кроку сітки — приблизно 8 Гц. Якщо лог 1/1 підтвердить, що резонанс дрона 6S справді на 186 Гц, команда буде така:

set gyro_notch1_hz = 186
set gyro_notch1_cutoff = 130
save

Пілот 7-дюймового дрона вибрав 160/120, тобто Q 1.71 і трохи вужчий зріз. Згідно з таблицею вище, на 20 Гц це коштує приблизно 0.6 мс — стільки ж, скільки PT1 на 250 Гц. Це прийнятна ціна за один пік, але не привід додавати другий notch «про всяк випадок». У примітках до 4.3 є корисна порада: якщо статичний notch прибирає резонанс, що завжди лишається на одній частоті, зменш dyn_notch_count на одиницю.

INAV. У INAV взагалі немає статичного notch гіроскопа (є лише acc_notch_hz для акселерометра), тому bbdoctor не пропонує для INAV такої команди. Залишається динамічний notch: dynamic_gyro_notch_enabled, dynamic_gyro_notch_q, dynamic_gyro_notch_min_hz. У нашому логу INAV встановлено Q 250 і мінімум 126 Гц. Якщо лог із повною частотою запису підтвердить резонанс на 117 Гц, динамічний notch не зможе його дістати, доки не знизиш мінімум приблизно до 100. Докладніше — у посібнику з blackbox в INAV.

ArduPilot. bbdoctor вмикає другу гармонічну notch-фільтрацію в режимі фіксованої частоти, із шириною смуги f/2 і послабленням 40 дБ. Після встановлення INS_HNTC2_ENABLE = 1 онови список параметрів, щоб з’явилися решта параметрів INS_HNTC2_*. Дивись посібник із логів ArduPilot.

PX4. Починаючи з 1.13 використовуються IMU_GYRO_NF0_FRQ і IMU_GYRO_NF0_BW; у 1.12 і старіших версіях — IMU_GYRO_NF_FREQ і IMU_GYRO_NF_BW. bbdoctor встановлює ширину смуги на рівні 0.3 від частоти. Лог PX4 1.15.4 записано на 8 кГц, тож пік 469 Гц визначено однозначно, а команди такі:

param set IMU_GYRO_NF0_FRQ 469
param set IMU_GYRO_NF0_BW 141

У тому самому логу ввімкнено FFT-notch (IMU_GYRO_FFT_EN = 1), але його діапазон — 30–150 Гц, тож до 469 Гц він не дістає. Водночас IMU_GYRO_CUTOFF = 40 додає близько 5.6 мс затримки, а notch на 469 Гц із шириною 141 Гц — близько 0.1 мс. Попри це, bbdoctor каже, що послаблювати фільтри зарано: сирий шум roll становить 6.4 град/с, тож спочатку треба розібратися з механікою. Докладно про PX4 — у посібнику з ULog.

Спершу перевір механіку: що шукати залежно від частоти

bbdoctor розділяє резонанси на частоті 250 Гц і називає ймовірну причину у висновку:

Перед роботою з рамою від’єднай акумулятор і зніми пропелери. Перед ремонтом постав справні пропелери й перевір мотори, адже саме вони збуджують резонанс. Як знайти проблемний мотор за логом, описано в посібнику з вібрацій, а загальну картину шуму й фільтрів — у посібнику про гарячі мотори.

Перевір резонанс коротким логом із повною частотою запису

1. Записуй лог із частотою контуру PID. У Betaflight 4.3+ це set blackbox_sample_rate = 1/1; в INAV — blackbox_rate_num = 1 і blackbox_rate_denom = 1; у PX4 — біти 4 (High rate) і 8 (Raw FIFO high-rate IMU Gyro) у SDLOG_PROFILE; в ArduPilot 4.5+ — INS_RAW_LOG_OPT разом із бітом IMU_RAW у LOG_BITMASK. Пам’ять заповнюється вчетверо швидше, ніж за значення 1/4.
2. Переконайся, що сирий сигнал гіроскопа записується. Починаючи з 4.5, для нього є окреме поле; у версіях 4.0–4.4 потрібно встановити debug_mode = GYRO_SCALED. Докладніше — у посібнику з налаштування blackbox.
3. Політай хвилину: зависай, плавно набирай висоту по прямій до газу 70–80%, а потім кілька разів утримуй різні значення газу по кілька секунд. Детектору потрібні вікна в багатьох діапазонах газу, а не лише під час зависання.
4. Завантаж лог у bbdoctor. Якщо резонанс визначено однозначно, у висновку буде «Резонанс на X Гц за будь-якого газу» та команди для notch.
5. Спершу усунь проблему з механікою і знову політай. Додавай notch, лише якщо пік залишився, а потім запиши ще один лог: виступ на цій частоті має зникнути з відфільтрованого сигналу гіроскопа, а відфільтрований шум не повинен зрости.
6. Поверни звичайний дільник запису.

set blackbox_sample_rate = 1/1
save

Найпоширеніші помилки

• Notch на частоті, спотвореній накладанням спектрів. У лозі 1/4 видно пік на 186 Гц, ти ставиш notch на 186 Гц, а справжній резонанс — на 827 Гц. Ти додаєш 0.6 мс затримки в робочому діапазоні керування й нічого не зрізаєш.
• П’ять notch разом із робочим RPM-фільтром. Їхня затримка сумується, а зрізати майже нічого. Почни з одного й додавай інші, лише якщо на відфільтрованій тепловій карті лишилася лінія.
• Занизьке min_hz, через яке notch заходить у робочий діапазон керування. За dyn_notch_q 500 notch на 70 Гц додає 1.29 мс затримки на 40 Гц, тоді як на 100 Гц — 0.52 мс. Встановлюй мінімум з огляду на свої мотори, а не «трохи нижче про всяк випадок».
• Діапазон не охоплює пік. Мінімум 126 Гц в INAV, коли пік на 117 Гц; верхня межа FFT-notch у PX4 — 150 Гц, коли пік на 469 Гц. Фільтр увімкнено, але він нічого не робить.
• Послаблення фільтрів, поки резонанс лишився. Низький рівень відфільтрованого шуму не доводить, що є запас. Шум може бути низьким саме завдяки notch і lowpass, які ти збираєшся послабити.
• Забутий статичний notch. Після ремонту запиши лог. Якщо пік зник, прибери notch командою set gyro_notch1_hz = 0, ненадовго зависни й перевір, чи теплі мотори. Зайва затримка без шуму, який потрібно фільтрувати, нікому не допомагає.

Коли нічого не потрібно змінювати: bbdoctor не виявляє резонансу, сирий шум нижче 4 град/с (позначка «механіка справна»), відфільтрований шум нижче 1 град/с, а мотори після польоту теплі, не гарячі. Notch також не усуне низькочастотні коливання. В одному лозі PX4 1.17 bbdoctor знайшов пік 42 Гц лише на pitch у похибці (гіроскоп мінус setpoint), а фаза мотора вказувала, що його викликає P. Рекомендація — знизити pitch P на 10% і порівняти з наступним польотом, а не додавати фільтр. Детектор резонансів узагалі не аналізує частоти нижче 60 Гц.

Завантаж власний лог в аналізатор або переглянь приклад звіту. Перевірити конфігурацію без польоту можна на сторінці порівняння конфігурацій: вона виявляє, наприклад, вимкнений Dynamic Notch за відсутності RPM-фільтра.

Оновлено: 2026-10-22