利用 IMU 批量采样器测量振动

IMU BatchSampler 可用于将 IMU 传感器的高频数据记录到(飞行)控制器的数据闪存日志中。飞行后可对这些数据进行分析，利用数据的快速傅立叶变换 (FFT) 创建的图表诊断振动问题。

FFT 将数据从时域转换到频域。换句话说，随时间（即飞行）记录的加速度计数据可以转换成显示振动频率的图表。这些图表的一个常见特征是螺旋桨的 "叶片通过频率"（叶片越过机臂的频率）会出现尖峰，从而导致机身加速。FFT 有以下局限性：

  • FFT 无法显示传感器采样率一半以上的频率

  • 可以显示的最小频率是样本量的一半除以采样率

采样的速率通常与(飞行)控制器陀螺仪更新的速率相同。例如，如果您使用 快速样本 如果您使用的是 MPU9250 传感器（现代 Pixhawk 级(飞行)控制器上的典型传感器），则采样频率为 8KHz，但经过平均和降采样后为 1KHz。如果您使用的(飞行)控制器不具备快速采样功能，则采样率为 1KHz

1 千赫兹的 "后端 "速率是陀螺仪进行滤波（即低通滤波和带阻滤波器）的速率，在较小的旋翼飞行器上，1 千赫兹的速率不足以避免较高频率的噪声造成的混叠。例如，3 英寸的旋翼飞行器全油门电机频率可能为 600 赫兹。由于滤波器只能应用于采样频率的一半（奈奎斯特限制），因此当采样频率为 1Khz 时，无法过滤 600Hz 的噪声，噪声将被混叠到较低的频率。

对于支持快速采样的 IMU（如 Invensense 传感器），后端速率是可配置的，以便支持更高的速率。后端速率可通过设置 INS_GYRO_RATE.默认值 0 与之前固件版本的行为相同。速率为 N 时，后端速率为 2^N Khz，例如，速率为 1 时，后端速率为 2Khz，等等。

备注

这将提高所有陀螺滤波器的运行速度，计算成本可能很高，具体取决于配置的凹槽数量。只有在 F7 或 H7 平台上才建议使用高于 0 的值，而高于 1 的值只能在仔细调整后使用。这些平台会自动进行调整。这样就可以在这些(飞行)控制器上捕捉 1KHz 及以下的频率。

飞行前设置

  • 设置 ins_log_bat_opt = 4 进行滤波前和滤波后 1KHz 采样

  • 设置 ins_log_bat_mask = 1 从第一个 IMU 收集数据

  • ins_log_bat_lgin 是批次采样之间的间隙，通常无需更改。可以降低该间隙以提高 FFT 结果的准确性，但根据系统记录速度的不同，该间隙可能会失效。

  • LOG_BITMASK的 IMU_RAW 位必须 不 进行检查。默认 LOG_BITMASK 值即可。如果选中该值，结果可能会令人困惑，因为如果使用后置过滤器或常规日志记录，则不会获得任何采样；但如果使用传感器速率日志记录，且 SD 卡能够满足要求，则会获得采样。

飞行和飞行后分析

  • 进行至少 1 分钟的常规飞行（不只是轻微盘旋），并且 下载数据闪存日志

  • 打开Mission Planner地面站，在设置/高级下按 FFT 按钮，按 "IMU 批量采样 "并选择上面下载的 .bin 日志文件

../_images/fft-mp.jpg

从图中应该可以发现一个与马达旋转频率相对应的噪音峰值。较小的旋翼飞行器可能在 200Hz 左右，较大的旋翼飞行器/垂直起降机可能在 100Hz 左右。通常还会有电机旋转频率的谐波（2 倍频或 3 倍频）。下面是一个 5 英寸四轴飞行器的例子，该飞行器没有设置凹槽，陀螺仪滤波器的低通滤波器设置为 20 赫兹：

./_images/fft-pre.jpg

  • 显示了四幅图：ACC0- 过滤前的加速度计频谱、ACC1- 过滤后的加速度计频谱、GYR0 - 过滤前的陀螺仪频谱和 GYR1- 过滤后的陀螺仪频谱。频率超过 100Hz 的振动可能会导致姿态或位置控制问题。

  • 电机在悬停时会出现明显的 180Hz 噪声峰值，二次谐波较小。

  • 请注意，传感器上的低通滤波器大大降低了噪音，但代价是产生了明显的相位滞后，从而降低了调整的精确度。应该可以 "剔除 "180Hz 的电机噪声尖峰，并将陀螺仪的低通滤波器提高到 60 或 80Hz，以便进行更精确的调整。加速度计路径并不那么重要，因为它在基于速率 PID 控制器的陀螺仪周围形成了一个外环。将其低通滤波器保持在 10Hz 不会影响载具快速拒绝干扰的能力，而这正是速率控制器的主要任务。

  • 如果我们只是将陀螺仪的低通滤波器从 20HZ 提高到 60HZ，而不添加带阻滤波器来降低电机噪音，就会产生这样的结果，这是不可接受的：

../_images/fft-60hznonotch.jpg

谐波带阻滤波器设置

可以通过激活谐波带阻滤波器来过滤部分噪声，以提高性能和改善飞行稳定调整。参见 利用动态谐波带阻滤波器管理陀螺仪噪声 了解详情。

如果使用基于节气门的动态谐波凹槽，您需要从日志中获取一些额外信息。 基于节流阀的动态凹槽设置使用相同的日志，在任务计划程序中以常规方式打开日志并绘制节流阀值：CTUN.ThO (Copter) 或 QTUN.ThO (QuadPlane)..由此确定悬停节流阀的平均值，该值将用于 INS_HNTCH_REF.- 也可以使用 移动学习 在 Copter 中 = 2，并读出 MOT_THST_HOVER或 q_m_hover_learn 在 QuadPlane 中 = 2，并读出 Q_M_THST_HOVER - 这样就有了悬停电机频率 悬停频率 和推力值 悬停推力 .请注意，只有在无俯仰角或滚转角的高度控制模式下才能学习悬停推力。因此，应在风平浪静的条件下进行，至少 10 秒钟内不输入飞行员操纵杆。

配置后确认飞行和飞行后分析

执行类似的悬停飞行，并以同样的方式分析数据闪存日志。这次您应该会看到噪音明显减少，更重要的是电机噪音峰值得到了衰减。如果峰值似乎没有得到很好的衰减，那么您可以尝试增加缺口的带宽和衰减。不过，切口越宽，对飞机控制的延迟就越大，因此这样做可能会适得其反。

下面是同一个 5" quad 的例子，配置了谐波带阻滤波和 60Hz 陀螺低通滤波器：

../_images/fft-post60hz.jpg

备注

请务必重置 ins_log_bat_mask 在完成分析飞行后，请将该选项设置为 "0"，以释放该功能占用的内存。在某些(飞行)控制器中，如果启用了批量日志记录功能，则无法执行其他内存密集型任务，如指南针校准或 MAVftp。

高级配置和分析

  • 设置 ins_log_bat_opt = 1 以启用传感器最高速率的批量采样，从而可以对 InvenseSense 的超快 IMU 进行 500hz 以上的分析。

  • ins_log_bat_mask 可用于仅对单个传感器采样。这将增加从单个传感器（例如平台上最好的传感器）获取的样本数量，从而为分析提供更好的数据

  • ins_log_bat_cnt 指定将收集的样本数量。增加采样次数可以获得更有代表性的问题频率。当除以采样率时，将得到可检测到的最低频率，因此 1024kHz 采样率下的 1024 个样本将（较差地）采集到 0.5Hz 的频率。

  • ins_log_bat_lgin 向数据闪存日志推送采样的时间间隔（毫秒）。 增加该值可减少向数据闪存日志刷新数据的时间，从而缩短循环时间。但这将增加系统负荷，并可能导致数据闪存日志无法处理其他信息。

  • ins_log_bat_lgct 每计数一次要推送的样本数 ins_log_bat_lgin 毫秒。增加此值可在每次向数据闪存日志发送时推送更多采样。增大此值可能会导致定时抖动，并可能使数据闪存日志无法处理其他信息

备注

在基于 H7 的(飞行)控制器（如 CubeOrange 或 Zealot H743）上，可以使用原始 IMU 日志，并为分析提供更好的数据。设置 ins_log_bat_mask = 0，则在"...... "中设置原始 IMU 位（位 19）。 LOG_BITMASK，设置 ins_log_bat_opt = 原始日志记录对过滤器调整很有帮助，但会产生大量日志，通常意味着你不希望将其开启。

基于网络的 带阻滤波器审查工具 可用于分析批量采样或原始 IMU 日志生成的槽口过滤日志。

以下两张图表来自 PixRacer (飞行)控制器上的同一次飞行。右侧的 Accel[0] 是 InvenseSense IMU，显示的频率高于左侧较慢的 IMU

../_images/imu-batchsampling-fft-sensorrate-pixracer.png

日志信息内容

批量采样涉及两种类型的数据闪存日志信息、 ISBH 和 ISBD.

  • ISBH 是一个批次标题；它包括一个批次编号和有关批次的元数据。

  • ISBD 信息包含批次的实际数据，并按批次编号引用标题。