كيف تُبنى وحدة التحكم في وضعية الدرون؟
تتحكم معظم برمجيات الطيران للطائرات متعددة المراوح، ومنها ArduPilot وPX4 وBetaflight، في الوضعية بحلقتين متداخلتين لكل محور. تحوّل حلقة الزاوية الخارجية خطأ الوضعية إلى معدل دوران مطلوب. وتحوّل حلقة المعدل الداخلية خطأ المعدل إلى أوامر للمحركات، فتستخدم الجيروسكوب مباشرة وتعمل بسرعة أكبر بكثير.
لذلك يبدأ الضبط من الداخل. فحلقة معدل مضبوطة جيداً هي أساس كل ما عداها، وغالباً ما تتكون حلقة الزاوية الخارجية من كسب تناسبي واحد. ولكل حد وظيفة مختلفة:
- P (التناسبي) يستجيب للخطأ الحالي. إذا كان منخفضاً بدت الاستجابة بطيئة، وإذا كان مرتفعاً ظهر تذبذب سريع.
- I (التكاملي) يزيل الأخطاء الدائمة مثل مركز كتلة منزاح أو رياح ثابتة. وارتفاعه الزائد يسبب تجاوزاً بطيئاً وتمايلاً.
- D (التفاضلي) يخمد التجاوز بالاستجابة لمعدل التغير، لكنه يضخّم ضوضاء الجيروسكوب، لذا فالترشيح مهم.
- FF (التغذية الأمامية) يستجيب للأمر مباشرة، فيحسّن التتبع دون أن يقلل استقرار الحلقة.
أين توجد معاملات الكسب في برمجيات الطيران الشائعة؟
تختلف أسماء المعاملات بين البرمجيات لكن البنية واحدة. وعلى سبيل المثال في محور التدحرج:
| البرمجيات | حلقة المعدل | حلقة الزاوية |
|---|---|---|
| ArduPilot Copter | ATC_RAT_RLL_P, _I, _D, _FF | ATC_ANG_RLL_P |
| PX4 multicopter | MC_ROLLRATE_P, _I, _D, _FF | MC_ROLL_P |
| Betaflight | قيم P وI وD والتغذية الأمامية للتدحرج | شدة وضع الزاوية (Angle Strength) |
لماذا تبدأ الضبط على منصة اختبار؟
يخلط الطيران الحر كل التأثيرات معاً: الانتقال والرياح وهبوط جهد البطارية وتأثير الأرض وأوامر الطيار. أما على منصة ثلاثية المحاور فلا تستطيع المركبة إلا الدوران، فتصبح استجابة الوضعية معزولة وقابلة للتكرار والقياس، وينتهي الكسب الخاطئ بتمايل لا بتحطّم.
والثمن أن المنصة تصبح جزءاً من النظام. فالقصور الذاتي للحلقات واحتكاك المحامل وأي إزاحة بين مركز الدوران ومركز كتلة المركبة تغيّر الديناميكيات. لذا فالمكاسب التي تُستخرج على المنصة نقطة انطلاق قوية لا إجابة نهائية. ويشرح دليل منصة الاختبار ثلاثية المحاور أهم خصائص المنصة.
ما الذي يجب قياسه؟
- المعدل المطلوب مقابل المعدل الفعلي على كل محور، مسجّلاً بتردد حلقة المعدل. يسجّلها ArduPilot في رسالة السجل RATE، ويسجّل PX4 القيمة المطلوبة للمعدل والسرعة الزاوية المقيسة.
- الاستجابة للخطوة: زمن الصعود والتجاوز وزمن الاستقرار بعد أمر حاد.
- تردد التذبذب وسعته، للتمييز بين تذبذب سريع سببه P وتمايل بطيء سببه I.
- مخرجات المحركات، لرصد التشبع والضوضاء الواصلة إلى المحركات.
- مرجع مستقل. على منصة مزوّدة بمُرمِّزات على المحاور، قارن تقدير وحدة التحكم للوضعية بالزاوية المقيسة.
ترتيب ضبط ناجح
- جهّز المركبة. وازنها في أداة التثبيت بحيث يقع مركز كتلتها على مركز الدوران، وتحقق من اتجاه المحركات والمراوح، واضبط مرشحات الجيروسكوب وفق اهتزاز الهيكل.
- ابدأ بحذر. اخفض كسبي P وD لحلقة المعدل إلى ما دون القيم الافتراضية واجعل I منخفضاً. قيّد الخانق وأبقِ المنصة محمية.
- اضبط P للمعدل محوراً تلو الآخر. ارفع P بخطوات صغيرة حتى يظهر تذبذب سريع، ثم اخفضه بما يترك هامشاً.
- أضف D لإخماد التجاوز. زِد D حتى تستقر الخطوات بوضوح. وتوقّف إذا سخنت المحركات أو علا صوتها، فهذا يعني أن D يضخّم الضوضاء.
- ارفع I للحفاظ على الوضعية. زِد I حتى يثبت المحور أمام إزاحة ثابتة دون تمايل بطيء.
- أضف التغذية الأمامية ثم اضبط P للزاوية. استخدم FF لتحسين التتبع، ثم اضبط كسب الزاوية الخارجي لاستجابة حاسمة دون تجاوز.
- كرّر ذلك للانحدار والانعراج ثم اختبر الحركة المركّبة. يحتاج الانعراج عادةً إلى D أقل وI أكبر. واختم بمناورات مركّبة على عدة محاور للتحقق من التداخل بين المحاور.
مشكلات شائعة ودلالاتها
- تذبذب سريع أشبه بالطنين: P أو D مرتفع جداً، أو الترشيح غير كافٍ.
- تمايل بطيء بعد الحركة: I أو P الزاوية مرتفع جداً.
- انجراف يعود ببطء: I منخفض جداً، أو مركز الكتلة خارج مركز الدوران على المنصة.
- محركات ساخنة ومخرجات مشوّشة: ضوضاء الحد التفاضلي. راجع مرشحات الجيروسكوب والحد D قبل رفع D.
- محاور يُخلّ بعضها ببعض: مرونة الهيكل، أو تثبيت غير محكم لوحدة التحكم بالطيران، أو محدودية التحكم في الانعراج. اختبر الحركة المركّبة.
من المنصة إلى أول طيران
توقّع ضبطاً دقيقاً قصيراً في الجو، إذ يغيب على الأرض الإخماد الهوائي والانتقال وهبوط الجهد. يوفّر ArduPilot وPX4 وظائف ضبط تلقائي أثناء الطيران، ونقطة انطلاق مستخرجة على المنصة تجعل هذه الرحلات أقصر وأكثر أماناً. طِر في وضع مستقر، وسجّل الإشارات نفسها وقارنها بتسجيلات المنصة. والفروق الكبيرة تشير عادةً إلى المنصة نفسها، أي قصورها الذاتي أو احتكاكها أو إزاحة مركز الدوران، لا إلى وحدة التحكم.
تدعم INFINITE-HIL X1 كلا النهجين على المنصة: التشغيل الحر الذي تدير فيه وحدة التحكم الخاصة بالمركبة المركبةَ بنفسها، وسيناريوهات HIL التي تطبّق فيها المنصة عزوم اضطراب قائمة على النماذج. ويُحدَّد وضع التشغيل وتدابير السلامة لكل مشروع. ولمعرفة موقع الضبط ضمن عملية تحقق كاملة، راجع اختبار وحدات التحكم بالطيران من SIL إلى HIL.