四轴飞控DIY Mark4 - 减震

前一段时间，我们DIY了一台F450(10年前)的RC四轴模型，总体上也接触了四轴飞行器的一些基本知识，对航拍、穿越等做了一些初步的了解。

• 经过试飞，总体满意感还是不错的，积累了一些经验：

1. 如何操控四轴飞行, 以及上机之前的一些准备工作==》四轴FPV无人机手动操作简明介绍
2. 什么方式才能远航以及精准操控四轴==》四轴飞控DIY集成FPV功能
3. 为什么穿越机FPV会出现果冻？==》关于穿越机FPV视频果冻效应的讨论
4. 遥控器，发射机，接收器都是带MCU的小型设备，含嵌入式固件，不仅仅是飞控/ESC==》TX12 + ExpressLRS 915MHz RC控制链路配置及问题汇总

• 后续主要考虑RC体验的一些方向：

1. 解决果冻效应
2. 增加图传距离
3. 增加遥测距离
4. 增加航拍设备

• 本章节主要是为了解决果冻效应：上次的经验总结

1. 【更换】更硬材质的机架(小机架5寸，炭纤维材质；非廉价机架F450 10寸 尼龙塑料材质)
2. 【更换】大KV值电机(高频小幅度振动，容易被减震部件吸收)
3. 【采用】电机与机架的TPU防震（之前是自己做的1mm橡胶垫圈，可能没有TPU打印专用的好）
4. 【采用】飞控防震垫圈（陀螺仪虽然有泡沫吸收振动，但是从滤波前后看，吸收的还是不够）
5. 【采用】多叶桨(三叶桨)，低螺距(低端扭矩小)，小翼尖(减少阻力)，期望控制粒度细腻/性能稳定，且大众桨叶(比如：51466)

1. DIY Mark4

本次DIY的主要目的：为了验证和解决F450上，由于振动带来FPV摄像头视频的果冻效应。

DIY可以参考：
【1】四轴飞控DIY简明步骤介绍
【2】BetaFlight & BeeRotorF3 四轴飞行器配置F450

视频回路设备不做变更，适配Mark4机架，必要组件如下：

1. 电机（Motor）+ 电调（ESC，Electronic Speed Control）
2. 飞控（FC，Flight Control）：集成导航模块（IMU，Inertial Measurement Unit）陀螺仪+加速度
3. 动力源：可以采用可充电电池
4. 遥控器+遥控接收机
5. 【不变更，沿用F450设备】FPV摄像头
6. 【不变更，沿用F450设备】图传
7. 【不变更，沿用F450设备】眼镜 + 图传接收机

2. 改进事项

2.1 Mark4 5 inches机架

改进内容：【更换】更硬材质的机架(小机架5寸，炭纤维材质；非廉价机架F450 10寸 尼龙塑料材质)
期望目标：整体机架更加硬质==》消除导致果冻的低频大幅震动
改进点：

1. 机架变小: 10 inches ==》 5 inches
2. 材料更换: 尼龙塑料 ==》 炭纤维材质

2.2 2205 2450KV 无刷电机

改进内容：【更换】大KV值电机(高频小幅度振动，容易被减震部件吸收)
期望目标：降低低频振动以及振动幅度
改进点：

1. KV值提高: 910KV ==》2450KV

2.3 电机与机架的TPU防震

改进内容：【采用】电机与机架的TPU防震（之前是自己做的1mm橡胶垫圈，可能没有TPU打印专用的好）
期望目标：通过TPU防震件吸收部分电机和桨叶带来的振动能量，降低振幅

1. TPU打印件: 自制橡胶垫(1mm) ==》 TPU打印件(2mm)

2.4 飞控防震垫圈

改进内容：采用吸收振动较好的橡胶减震柱(将控制板套在减震柱上避震)
期望目标：降低机架传递过来的干扰振动影响到陀螺仪原始采集数据(硬件方式做无效数据清洗)
改进点:

1. 使用橡胶减震柱

2.5 三叶平衡桨

改进内容：【采用】多叶桨(三叶桨)，低螺距(低端扭矩小)，小翼尖(减少阻力)，期望控制粒度细腻/性能稳定，且大众桨叶(比如：51466)
期望目标: 通过桨叶数量提高，增加稳定性
改进点:

1. DALPROP T5046C
2. 乾丰GEMFAN 51466

3. 试飞效果

对比之前F450试飞视频，振动导致的果冻效应明显消除(基本不存在果冻效应)。

3.1 视频资料

1. F450视频

【1】BetaFlight Kakute F7 AIO F450 +ELRS(915Mhz)+500mW 红色桨叶，全新
【2】BetaFlight Kakute F7 AIO F450 + TX12 + ELRS(915Mhz) 红色桨叶，全新
【3】BetaFlight Kakute F7 AIO F450试飞 白色桨叶，不全新
【4】BetaFlight Kakute F7 AIO F450 + Meilin South Road, 前面白色桨叶，后面红色桨叶，都不全新

2. Mark4视频

【1】背光补偿(自动)+猪尾巴天线（放置915天线，平行绑扎) + 清晨(有点雾霾)
==》 BetaFlight Mark4 + NorthCityPark, DALPROP T5046C
【2】全局曝光+猪尾巴天线（放置机肚子位置，靠左前臂) + 晴朗早晨
==》 BetaFlight Mark4 + NorthCityPark (Second), DALPROP T5046C
【3】背光补偿(自动) + 棒子天线(斜45度) + 晴朗早晨
==》BetaFlight Mark4 + NorthCityPark (Third), DALPROP T5046C

3.2 对比分析

1. arm之后，起飞之前

1. F450视频: 明显看到地面振动，形成抖动的果冻效应。
2. Mark4视频: 地面无明显抖动，甚至感觉不到振动。

2. 起飞之后

1. F450视频: 果冻效应明显
2. Mark4视频: 无果冻现象

3. 续航能力

1. F450续航时间: 10分钟
2. Mark4续航时间: 16分钟

整体感觉: 1) 无导致果冻效应的低频振动; 2) Mark4控制更加丝滑; 3) 续航能力更强了。

4. 问题汇总

当然，尚存在一些问题，可能会影响RC体验。我们分两个部分来逐步完善：

1. 改善以后试飞
2. 后续改进计划

4.1 改善以后试飞

1. 图传信号质量不好(以后可能还需要考虑增加距离)

当前图传使用的是猪尾巴天线，且放置与飞机尾部，与915MHz接收机天线平行，
可能当飞机飞回来的时候，5.8G图传信号被飞机与电池遮挡，导致信号质量变差的问题。

• 解决方法一：将图传天线绑到机臂上，并且从飞机下方走天线
• 解决方法二：使用棒棒糖天线，通过MMCX转SMA的方法，用后面的图传天线支架，将天线切斜45度

2. FPV摄像头色彩，对比度，厂家自动方式感觉不理想

当前FPV视频，总体感觉图像细节不够，整体色彩度也不太好。
分析：可能是一早上，天不够亮；另外今天确实阴蒙蒙的，肉眼也看不太远。

• 解决方法一：换个好天气去试飞一圈
• 解决方法二：调整下曝光模式，考虑全局平衡 （当前采用背光补偿，自动）

4.2 改善及效果

• 第二次试飞效果(全局曝光+猪尾巴天线（放置机肚子位置，靠左前臂) + 晴朗早晨)

1. 视野范围，部分阴暗区域太暗（摄像头无法及时调整）
2. 由于天气原因色彩方面有不少改善
   ==》BetaFlight Mark4 + NorthCityPark (Second), DALPROP T5046C

• 第三次试飞效果(背光补偿(自动) + 5.8G棒状天线(斜45度安装) + 晴朗早晨)

1. 全局曝光导致的部分阴暗地区看不见的问题已经通过背光补偿(自动设置解决)
2. 棒状天线 45度倾斜安装解决了 机架&电池遮挡问题
   ==》BetaFlight Mark4 + NorthCityPark (Third), DALPROP T5046C

• 最终 5.8GHz 图传天线 + 915MHz 接收机天线 安装方式如下图所示。
  

4.3 后续改进计划

1. 清晰度尚待改进，且存在一定的电源干扰

1）【纹波】增加一些滤波电容，过滤~ 100Hz左右或者其他频率的干扰
2）【清晰度】FPV摄像头目前采用Caddx Ant 1200TVL 4:3 14x14mm， 其效果与国外摄像头评测 | Caddx ANT蜗牛蚂蚁FPV摄像头评测一致。
解决方案：更换其他FPV摄像头
比如：换成19mm的，PCBA大一点，也许滤波方面会有所改善
从B站上面的对比效果看，应该选择无牙崽2 Micro 14x14mm，配套Mark4。详见： 三头地狱犬：3款19mm模拟FPV摄像机横评

2. 增加遥测距离

关于915MHzELRS拉距测试，始终没有最终完成过，后期需要安装GPS，增加RTH功能后进行验证。

3. 增加航拍设备

新增卡录设备，比如：Gopro

上述遗留问题，后续有时间再进行验证和更新吧，详见：四轴飞控DIY Mark4 - RTH/GPS Rescure。

5. 参考资料

【1】四轴飞控DIY简明步骤介绍
【2】四轴飞控DIY集成FPV功能
【3】BetaFlight & BeeRotorF3 四轴飞行器配置F450
【4】关于穿越机FPV视频果冻效应的讨论
【5】穿越机用途和机架尺寸
【6】四轴FPV无人机手动操作简明介绍
【7】TX12 + ExpressLRS 915MHz RC控制链路配置及问题汇总
【8】BetaFlight, Tuning-Dynamic-Idle

6. 补充信息

新买了一个测试用飞控板 AOCODA F405

1. 考虑后续使用Kakute F7 AIO V1.5 测试PX4代码
2. Kakute F7 AIO V1.5 不适合放置橡胶减震柱(效果好些)，只能使用O型垫圈
3. 配套的电调使用了四合一的电调板，为了简化焊接链接

鉴于上述考虑用了AOCODA F405的板子（相对F7/H7的飞塔，性价比高，且能达到实验目的）。

遇到三个主要问题：

6.1 Dshot600双向通信CPU过高(>75%)

为了启用RPM filter，期望飞的时候更稳定些，所以就希望启用这个功能。但是F4保守设置 8K4K Bidirectional-DSHOT300。

注：BetaFlight Wiki: Bidirectional-DSHOT-and-RPM-Filter

解决方法：通过设置超频，可以降低CPU利用率74% ==> 65%

# get cpu_overclock
cpu_overclock = OFF
Allowed values: OFF, 192MHZ, 216MHZ, 240MHZ
Default value: OFF
# set cpu_overclock = 192
# save
... reboot ...
# get cpu_overclock
cpu_overclock = 192MHZ
Allowed values: OFF, 192MHZ, 216MHZ, 240MHZ
Default value: OFF
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

6.2 Gyro需要特别配置CW270

遇到了非常奇葩的事情（也是自己不够小心，以为对应的固件，应该没问题，校准了以后就没有看IMU传感的测试），直接地面站刷了对应的固件版本，校准后就去试飞。

结果：失败，直接翻跟斗“Takeoff runaway”

经过分析、定位、FAE支持，最终确定是开源固件提供的飞控配置文件与到手的硬件版本不一致。

下载配置文件：SJET-AOCODAF405V1.config

整理AOCODA F405飞控以下硬件清单(git 3ead078)：

1. 硬件V1.0: SJET-AOCODAF405.config 来自git 3ead078
2. 硬件V1.1: SJET-AOCODAF405V1.config, 来自CSDN自配置了一个版本，厂家确认是有该硬件出货
3. 硬件V2.0: SJET-AOCODAF405V2.config 来自git 3ead078

6.3 飞控与电调板之间的电机控制线接线错误

所有电机编号与电调板上印刷标记一一对应：

#1电机 对应 M1
#2电机 对应 M2
#3电机 对应 M3
#4电机 对应 M4

实际通过软件看到的控制效果展示的对应关系：

#1电机 对应 M4
#2电机 对应 M3
#3电机 对应 M2
#4电机 对应 M1

经过沟通分析，确认可能是飞控与电调板直接的控制信号线连接反序了，电源(正/负)接线正确。

解决方案：升级到最新BF 4.3.1 通过电机调序来适配硬件问题。(-- Oh my God!!!, What a day!!!–)

6.4 空油门有一些抖动(wobble)

空油门抖动引起的原因比较复杂，能够想到的一些是：

1. PID 参数问题
2. AG 参数问题
3. 静态 dshot_idle_value 参数问题
4. 动态 dyn_idle_min_rpm 参数问题
5. ESC固件 PWM频率问题
6. 滤波问题
7. thrust_linear 参数问题

通常固件PID默认参数是给5寸机的(其他机型可以考虑PreSet或者网上经验值)。

因此默认参数情况下，建议按照下面步骤考虑（前提硬件是OK的）：

• Step1：ESC固件 PWM频率降低(96K–>48K–>24K–>16K)
• Step2：4.3以上版本固件考虑启用 dyn_idle_min_rpm 参数，详见：Tuning-Dynamic-Idle
• Step3：增减AG参数
• Step4：减少滤波（前提：机架低频振动非常小或者基本都是高频振动的情况）
• Step5：考虑PID调参

注：不建议使用thrust_linear 参数，据说会有一飞冲天的情况。