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多旋翼無人機的調試2016/06/15

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無人機調試,大體可參照如下步驟進行:

一、查看無人機結構,預估對飛行品質的影響

無人機機體形式有多種,包括使用碳纖玻纖等一體成型機體,在機臂端有電機定位固定的機構,這種形式機體剛度較強,但機體重量較大,電機位置固定精準,振動來源主要為電機和槳的變速轉動,機體并不會產生額外的諧振,高頻分量較少;機體也有使用雙層圓形碳板做為機體中心,碳桿支臂分別固定夾緊在雙層圓碳板中,支臂外懸長度較長,在支臂端電機夾緊固定,這種形式機體剛度較弱,且支臂端電機夾緊螺絲易松動,使槳的升力面與機身平面產生夾角,振動除來源于電機和槳的變速轉動外,機體支臂和電機夾緊松動會引發額外的諧振高頻分量;機體還有使用多根碳桿交叉固定形成“#”狀等,支臂外懸長度較短,在支臂端電機夾緊固定,這種形式機體剛度較好,且結構簡單重量輕,振動來源主要為電機和槳的變速轉動,機體并不會產生額外的諧振,高頻分量較少。

同時,仔細查看電機中低高速轉動時機體有無異響,檢查電機與機座固定處是否松動,電機內軸承是否完好,電機轉子和定子之間有無晃動摩擦等。飛控安裝位置或平臺要和機體固連,不能和機體本身有額外的相對運動或震動。上述情況都會惡化機體的震動情況。飛控安裝位置,盡量遠離槳高速旋轉產生的氣流場,或安裝使用機罩將飛控罩在其中,減弱氣流場對飛控內氣壓傳感器的影響,尤其是采用較大直徑槳葉設計的無人機。

二、檢測電機電調的響應,預估對飛行品質的影響

著重檢測電機電調對于不同頻率激勵的響應,以及多電機的同步性。首先完成電調校準,而后以不同頻率(比如慢、中、快速)操作遙控器搖桿激勵電調電機,查看電機的響應是否能夠跟隨激勵,有無明顯的延遲或卡頓和卡停現象,檢查電調如何處理給定的不同頻率的激勵信號,有無濾波保護處理,以及短時過載保護等。尤其現在由于農業無人機市場的火爆,很多廠家承接定制電機電調,但在電機電調產品性能匹配方面有些會存在問題,不能有效發揮電機的性能,出現驅動電機不良。當然有時也是因為定制電機的問題,存在嚴重的大慣性和非線性特性,并不適合應用在多旋翼無人機上。在檢測同步性方面,可以使用遙控的一個通道同時連接所有電調電機,以不同頻率(比如慢、中、快速)操作遙控器搖桿激勵電調電機,查看所有電機的是否能夠同步跟隨激勵。

三、安裝飛控

首次安裝飛控時,可不考慮減震,使用比較厚軟的雙面膠將飛控粘到機體靠中心的位置。安裝飛控位置,避免動力電源走線環繞在其周圍,形成閉環。安裝好飛控之后,按照使用說明書完成飛控的校準,包括傳感器校準、遙控器校準、飛行模式設定等。校準完成后,晃動飛機姿態,及調整無人機機頭方向,通過地面站查看飛控測量反饋是否正確。另外,待室外搜索到GPS后,觀察星數是否穩定。觀察無人機在地面靜止放置時,地面站顯示飛控測量反饋的對地速度、垂向速度是否正確,有無大跳變,以及高度值是否穩定正確。上述情況均正確,則表明傳感器校準正確,飛控狀態良好。

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四、初次起飛,檢測機體狀態,確定調試方向

初次飛行,選擇默認參數,在姿態模式起飛,起飛正常后,姿態懸停一段時間后降落。飛行時注意聽電機聲音是否正常,聲音有無突變,有無尖銳聲音。本次飛行數據重點查看加速度計和陀螺儀數據,考慮機體震動情況及角速度震動情況、飛控安裝方式是適合。查看角速度環跟蹤情況,考慮電調電機的響應情況(包括時延時間、飛行時間內響應是否一致,有無電機無反應狀態出現),考慮角速度環跟蹤靜差是否存在,判斷電調電機是否是嚴重的大慣性非線性系統。查看角速度環和角度環是否存在過沖和震蕩,跟蹤效果是否明顯。

修改控制參數需考慮上述所有問題。若震動過大,首先考慮機體狀態,確保槳平面一致,機械安裝部分無松動,電機無故障等。之后,震動過大情況依然存在,則需考慮安裝減震墊。安裝減震墊會明顯改善加速度計測量噪聲,但安裝的減震墊剛度不合適會導致角速度測量噪聲惡化,起飛時會發生電機頻繁的加減速有自激振蕩的趨勢,所以安裝減震墊后起飛時要密切關注電機響應,選擇合適剛度的減震墊。機體狀態調整到什么程度算完美?主要參考:加速度測量的高頻分量較低,平滑的陀螺儀曲線。

在加速度和角速度測量可接受的情況下,進行調試各控制環參數,調參按照先調試角速度環,然后角度環、速度環、位置環的順序從里到外依次進行。首先調試角速度環,若過沖和震蕩較大,適當減小感度值,若實際角速度響應達不到期望值,適當增加感度值;若靜差過大,跟蹤效果不明顯,說明非線性特性明顯,適當增加慣性系數,慣性系數較大會導致系統慣性更大,飛行不流暢,過大則會引發震蕩;若存在過沖和震蕩,但過沖程度較小,同時角速度噪聲不大,數據質量較好,可適當增加震蕩抑制系數而不降低感度值,即不降低系統響應的情況下降低超調,震蕩抑制系數過大則不僅不會抑制震蕩,還會引發惡化震蕩;每次變化值在原來數值基礎上變化5%-10%左右進行調試。調試到無過沖和震蕩,無靜差時,查看跟蹤響應時間,若響應時間過大,可同時提高感度值和震蕩抑制系數,提高響應。可提高到什么程序,還得考慮電機的響應情況,主要查看輸出控制量和角速度響應,考慮電機對于大控制量、小控制量、快變控制量、慢變控制量的響應情況。若電機本身為大慣性的非線性系統,且和電調的匹配度不高,則需密切查看在提高響應過程中,系統的穩定性。并根據電機的響應情況調整系統設定的最高角速度值和線加速度值。角速度環調整到什么程度算完美?主要參考:1、沒有惡化原來測量的加速度和角速度噪聲;2、沒有過沖或過沖量很小,無連續震蕩;3、響應時間在100ms內;4、小舵量靜差值較小。這里需要提到的是,航向的參數較大更易導致加重機體的震動噪聲,這時可以選擇適當較低對航向跟蹤特性的要求,并不會對飛行品質造成很大的影響。

多旋翼無人機的調試

角速度環調好后,開始細調角度環。在調試之前,查看在調試完角速度環的情況下角度環的響應情況,若過沖和震蕩過大,則減小感度值。調試到基本無過沖和震蕩的情況下,在姿態模式下,打桿進行姿態激勵和航向激勵,使姿態角迅速增加到20度左后(電機響應較好的,可以增加到35度左右),然后搖桿回中,觀察姿態在回平過程中有無較大過沖和震蕩;連續打航向舵,觀察航向變化是否跟隨桿量。根據飛行數據和現象,調整角度環參數,調試方法參照第4條。角度環調整到什么情況算完美呢?主要參考:1、沒有惡化原來測量的加速度和角速度噪聲;2、沒有過沖或過沖量很小,無連續震蕩;3、響應時間在100-200ms內。調試到現在,可以有一個很好操作的方法來檢驗電調電機的響應,航向桿左打滿而后迅速右打滿,觀察在各電機進行正反轉操作的過程,響應是否流暢,電機是否會發生過載,當然如若電機電調槳匹配不佳時,建議調低最大航向角速度設定值,而后進行如此暴力的打舵測試。

一般情況下,系統具有嚴重的大慣性非線性特性,電機響應稍慢且不穩定,系統調整的感度值稍小,慣性系數稍大震蕩抑制系數稍大;而電機響應快且穩定,機體重量較小,系統調整的感度值稍大、慣性系數稍小、震蕩抑制系數稍小。

角度環調好后,可進行GPS輔助模式下定點懸停的測試調參。首先查看導航系統解算結果是否正確,主要考慮系統解算的三軸速度(即北向、東向、地向速度)與GPS測量速度對比,兩者是否有較好的擬合度,如若偏差較大可考慮重新在室外校準所有傳感器;還要考慮氣壓高度。測量值、GPS測量高度值、導航解算輸出高度值,同時對比飛行時觀察的高度變化,對比分析這幾者是否有較好的擬合度;如若氣壓計跳變較大,受槳的風場影響較大時,可考慮措施增加機罩等,減弱對氣壓測量的影響。導航數據確認正確后,可進行GPS輔助模式下定點懸停測試,同時觀察機體反應,如若飛機在空中定點效果好,可進行前向、側向、垂向速度飛行激勵,主要觀察飛機在加速減速過程中,飛機姿態是否存在過沖震蕩,航向有無大角度波動變化,而后進行數據分析細調參數。外環調整到什么情況算完美呢?主要參考:1、沒有惡化原來的姿態響應;2、沒有過沖或過沖量很小,無連續震蕩;3、響應時間在500ms內;4、定點懸停時水平誤差在0.3米以內,垂向誤差在0.5米以內;這里需要提到的是,如若角速度環的響應較慢,則適當調整降低系統的最大加速度設定值。如若在推俯仰桿時,飛機前行方向與機頭方向有夾角,則需檢查GPS模塊方向與飛控安裝方向是否與機頭方向平行。

六、其他功能調試

上述調試完成后,則繼續按照使用說明書,完成其他功能的使用,其中包括GPS輔助起飛和降落、關控返航、農業噴灑作業等。一般情況下,經過上述調試過程后,剛提到的功能無需調試即可使用。另外需注意的地方如:若兩個飛行器機架的重量、尺寸、重量、硬度,電機的功率、扭力、推力,電機的安裝位置、電機的間距,螺旋槳的直徑、螺距、材料,可擁有近似一致的參數來達到飛行器的最佳狀態。

一般農用多旋翼的飛行速度較大時,由于電機和槳的輸出功率與低速時有較大變化,機體的震動情況會發生變化。稍小的多旋翼臨界飛行速度在30m/s左右,稍大的多旋翼臨界飛行速度在20m/s左右,當然該數值對于多旋翼來說也不盡相同,必須具體分析。

一般專為多旋翼飛行器設計的電調,無低壓保護,無過熱保護,但有啟動保護、過負荷保護和油門信號丟失保護。過負荷保護就是當負載突然變得極大時,電調會切斷動力,須油門歸零后才可正常操作,當失步時,電調自動嘗試重新啟動。啟動保護是指當加大油門后兩秒內未能正常啟動,馬達,電調將關閉動力輸出,油門搖桿需再次置于最低點才能啟動。油門信號丟失保護是指當電調檢測到油門遙控信號丟失0.25秒以上即立即關閉輸出,以免因螺旋槳繼續高速轉動而造成更大的損失。

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