Wie die Lageregelung einer Drohne aufgebaut ist
Die meisten Multikopter-Flugsoftwares, darunter ArduPilot, PX4 und Betaflight, regeln die Lage mit zwei verschachtelten Regelkreisen pro Achse. Der äußere Winkelregelkreis macht aus einem Lagefehler eine Soll-Drehrate. Der innere Ratenregelkreis macht aus dem Ratenfehler Motorbefehle; er nutzt das Gyroskop direkt und läuft deutlich schneller.
Die Abstimmung beginnt deshalb innen. Ein gut abgestimmter Ratenregelkreis ist die Grundlage für alles Weitere, und der äußere Winkelregelkreis besteht meist nur aus einer Proportionalverstärkung. Jeder Anteil hat eine eigene Aufgabe:
- P (proportional) reagiert auf den aktuellen Fehler. Zu niedrig wirkt träge, zu hoch schwingt schnell.
- I (integral) beseitigt bleibende Fehler wie einen außermittigen Schwerpunkt oder konstanten Wind. Zu hoch führt zu langsamem Überschwingen und Pendeln.
- D (differenzial) dämpft Überschwingen, indem er auf die Änderungsrate reagiert. Er verstärkt auch Gyrorauschen, deshalb ist die Filterung wichtig.
- FF (Vorsteuerung) reagiert direkt auf den Sollwert. Sie verbessert das Folgeverhalten, ohne den Regelkreis instabiler zu machen.
Wo die Verstärkungen in gängiger Flugsoftware liegen
Die Parameternamen unterscheiden sich, die Struktur ist dieselbe. Am Beispiel der Rollachse:
| Firmware | Ratenregelkreis | Winkelregelkreis |
|---|---|---|
| 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 | Roll P, I, D und Feedforward | Angle-Modus-Stärke (Angle Strength) |
Warum zuerst am Prüfstand abstimmen
Im freien Flug wirkt alles gleichzeitig: Translation, Wind, Spannungseinbruch der Batterie, Bodeneffekt und Piloteneingaben. Auf einem 3-Achsen-Prüfstand kann sich das Fahrzeug nur drehen. Die Lageantwort ist damit isoliert, wiederholbar und messbar, und eine falsche Verstärkung endet in einem Pendeln statt in einem Absturz.
Der Preis: Der Prüfstand wird Teil des Systems. Ringträgheit, Lagerreibung und jeder Versatz zwischen Drehzentrum und Fahrzeugschwerpunkt verändern die Dynamik. Am Prüfstand gefundene Verstärkungen sind ein guter Ausgangspunkt, keine endgültige Antwort. Welche Prüfstandseigenschaften am wichtigsten sind, erklärt der Leitfaden zum 3-DOF-Prüfstand.
Was gemessen werden sollte
- Soll- und Ist-Drehrate jeder Achse, aufgezeichnet mit der Frequenz des Ratenregelkreises. ArduPilot schreibt diese Werte in die RATE-Lognachricht, PX4 protokolliert Ratensollwert und gemessene Drehrate.
- Sprungantwort: Anstiegszeit, Überschwingen und Ausregelzeit nach einem scharfen Sollwertsprung.
- Frequenz und Amplitude von Schwingungen, um schnelle, P-bedingte Schwingungen von langsamem, I-bedingtem Pendeln zu unterscheiden.
- Motorausgänge, um Sättigung und bis zu den Motoren durchschlagendes Rauschen zu erkennen.
- Eine unabhängige Referenz. Auf einem Prüfstand mit Achs-Encodern die Lageschätzung des Reglers mit dem gemessenen Winkel vergleichen.
Eine Abstimmungsreihenfolge, die funktioniert
- Fahrzeug vorbereiten. In der Vorrichtung so auswuchten, dass der Schwerpunkt im Drehzentrum liegt, Motordrehrichtung und Propeller prüfen und die Gyrofilter auf die Vibrationen der Zelle einstellen.
- Vorsichtig beginnen. P und D des Ratenregelkreises unter die Standardwerte senken und I niedrig setzen. Gas begrenzen und den Prüfstand abgesichert halten.
- Raten-P achsweise abstimmen. P in kleinen Schritten erhöhen, bis eine schnelle Schwingung auftritt, dann mit Reserve zurücknehmen.
- D gegen Überschwingen hinzufügen. D erhöhen, bis Sprünge sauber ausregeln. Aufhören, wenn die Motoren warm oder laut werden: Dann verstärkt D Rauschen.
- I für das Halten der Lage erhöhen. I steigern, bis die Achse gegen einen konstanten Versatz ohne langsames Pendeln hält.
- Vorsteuerung ergänzen, dann Winkel-P einstellen. Mit FF das Folgeverhalten straffen, danach die äußere Winkelverstärkung für eine präzise Antwort ohne Überschwingen abstimmen.
- Für Nicken und Gieren wiederholen, dann kombinierte Bewegung testen. Die Gierachse braucht meist weniger D und mehr I. Zum Schluss mit kombinierten Manövern die Kreuzkopplung prüfen.
Typische Probleme und ihre Bedeutung
- Schnelles, surrendes Schwingen: P oder D zu hoch oder zu wenig Filterung.
- Langsames Pendeln nach einer Bewegung: I oder Winkel-P zu hoch.
- Langsam zurückkehrende Drift: I zu niedrig, oder der Schwerpunkt liegt am Prüfstand außerhalb des Drehzentrums.
- Warme Motoren, verrauschte Ausgänge: D-Anteil-Rauschen. Vor dem Erhöhen von D die Gyro- und D-Filter überprüfen.
- Achsen, die sich gegenseitig stören: Rahmenelastizität, eine lockere Flugreglerbefestigung oder begrenzte Gierautorität. Kombinierte Bewegungen testen.
Vom Prüfstand zum ersten Flug
Rechnen Sie mit einer kurzen Feinabstimmung in der Luft: Aerodynamische Dämpfung, Translation und Spannungseinbruch fehlen am Boden. ArduPilot und PX4 bieten Autotune-Funktionen im Flug; ein am Prüfstand gefundener Ausgangspunkt macht diese Flüge kürzer und sicherer. Fliegen Sie in einem stabilisierten Modus, zeichnen Sie dieselben Signale auf und vergleichen Sie sie mit den Prüfstandsaufzeichnungen. Große Abweichungen deuten meist auf den Prüfstand hin – Trägheit, Reibung oder Versatz des Drehzentrums – und nicht auf den Regler.
INFINITE-HIL X1 unterstützt beide Prüfstandsansätze: den freien Betrieb, bei dem der Regler des Fahrzeugs es selbst dreht, und HIL-Szenarien, in denen die Plattform modellbasierte Störmomente aufbringt. Betriebsart und Sicherheitsmaßnahmen werden projektspezifisch festgelegt. Wie das Tuning in einen vollständigen Validierungsablauf passt, zeigt Flugregler testen: von SIL bis HIL.