利用动态谐波带阻滤波器管理陀螺仪噪声

正如在 振动阻尼 主题，ArduPilot (飞行)控制器装置中的振动管理对于实现可预测的飞机控制极为重要。通常情况下，(飞行)控制器安装采用内部或外部机械振动阻尼，以消除最严重的振动。然而，机械阻尼只能起到这样的作用，还必须使用软件滤波来消除更多噪音。

对于(飞行)控制器来说，振动噪声就像任何其他干扰（如风、湍流、控制链路倾斜等）一样，(飞行)控制器必须对其进行补偿才能控制飞机。这妨碍了姿态控制回路的最佳调整，并降低了性能。

ArduPilot 提供两种噪音过滤机制。加速度计信号的低通滤波器由 ins_accel_filter和陀螺仪信号，由 ins_gyro_filter和谐波带阻滤波器对陀螺仪信号进行处理。

正如 测量振动 部分，基本上有两类噪声/振动：在陀螺仪/加速度计采样带宽内产生的噪声和高于这些频率的噪声，它们被 "混叠 "到该带宽内，并可能导致 "倾斜"。必须通过提高安装或机架的刚性从源头上消除混叠噪声，但上述滤波器可以处理其他来源的噪声，这些噪声通常来自电机/螺旋桨的旋转频率及其谐波。

对于多旋翼飞机和四旋翼飞机，几乎所有的振动都源于电机的旋转频率。对于旋翼飞行器和飞机，振动与主旋翼/螺旋桨速度有关。

ArduPilot 支持两个带阻滤波器，其滤波器频率可与电机的旋转频率或旋翼飞行器的旋翼速度相关联，并提供主频及其谐波的带阻滤波。

虽然低通滤波器可以有效降低噪音的影响，但低频设置点会产生很大的相位滞后，因此会降低振荡发生前飞行稳定调整的强度，从而导致飞行稳定调整效果变差。

对于基于陀螺仪的速率控制器来说，这会降低其对快速干扰做出反应的能力。如果陀螺仪的低通滤波器可以设置得更高，那么引起的相位滞后就会更低，调整也会更积极。但这会产生更多噪音和振动，从而有效抵消增益。启用一个或两个谐波带阻滤波器后，就可以针对电机产生的噪音进行调整，从而可以设置更高频率的低通滤波器，从而实现更严格的调整。

带阻滤波器设置概述

  1. 选择如何控制带阻滤波中心频率。参见 带阻滤波器控制类型.

  2. 如果有静态凹槽（通常不建议使用），或 节流 如果使用"...... "控制，则需要确定主要噪声频率，以便设置带阻滤波。参见 确定带阻滤波器中心频率.

  3. 启用带阻滤波器.

  4. 使用 INS_HNTCH_MODE.然后通过阅读本节链接的相关页面设置其相关参数 带阻滤波器控制类型.

  5. 在启用凹口进行试飞和日志分析后（见 检查带阻滤波器的有效性)、 可调整高次谐波滤波器的数量和位置使用 多级选择甚至是二次谐波带阻滤波组 (ins_hntc2_enable)进行配置，以提高降噪效果。基于网络的 过滤器审查工具 可用于根据试飞日志试验参数变化，以确定最佳配置，而无需进行反复试飞。

启用带阻滤波器

通过设置 ins_hntch_enable = 1 为第一个凹槽，如果需要，使用 ins_hntc2_enable = 1.重启后，将显示所有相关参数。

提供了各种动态调整带阻滤波中心频率的方法，以跟踪不同推力条件下的电机速度，即动态谐波带阻滤波滤波。

带阻滤波器控制类型

动态带阻滤波器工作的关键是控制其中心频率。有五种方法可以实现这一目的：

  1. INS_HNTCH_MODE = 0. 静态中心频率.动态带阻滤波频率控制被禁用。中心频率固定不变。通常在传统旋翼飞行器中使用，带有用于转子速度的外部调速器，可以集成在电调中，也可以单独用于内燃机电机。

  2. INS_HNTCH_MODE = 1.（默认值） 基于节气门位置通过分析日志确定悬停节流阀时的频率，然后通过节流阀位置的变化来跟踪噪声频率的增加。请注意，油门参考仅适用于垂直起降固定翼飞行器中的 VTOL 发动机，不适用于前进发动机，并且在固定翼飞行模式中无效。请参见 节流 了解更多设置详情。

  3. INS_HNTCH_MODE = 2（转速传感器 1）或 5（转速传感器 2）。 基于转速传感器，其中外部 转速传感器 用于确定电机频率，从而确定缺口的主振动源频率。通常用于传统旋翼飞行器（见 旋翼飞行器）使用 ArduPilot 云台调速器功能。参见 转速传感器 以获取进一步的设置说明。

  4. INS_HNTCH_MODE = 3. 基于电调遥测在这种情况下，电调会提供用于设置中心频率的发动机转速信息。在固定翼飞行中，如果前向电机的电调报告转速，也可将此用于前向电机。这需要正确配置您的电调，以便通过以下方式支持 BLHeli 遥测功能 串口.湖泊 电调遥测 以获取进一步的设置说明。如果 INS_HNTCH_OPTS或 INS_HNTC2_OPTS 如果启用了第二组凹槽，并设置了第 1 位，则将为每个电机创建一组凹槽，跟踪其转速遥测数据，否则将以所有电机的平均频率设置中心频率。

  5. INS_HNTCH_MODE = 4. 基于飞行中 FFT在这种模式下，飞行中会进行一次运行 FFT，以确定主要噪声频率，并调整凹口的中心频率使其与之匹配。如果(飞行)控制器能够运行该功能，这可能是最好的模式。它要求(飞行)控制器固件支持该功能（请参阅 (飞行)控制器硬件固件限制 GyroFFT功能），并有足够的 CPU 能力（F7/H7 (飞行)控制器）。该模式也适用于固定翼飞机。参见 飞行中的 FFT 以获取进一步的设置说明。

以上所有内容在第二个凹槽中都会单独重复，并在前面加上 INS_HNTC2_ 而不是 INS_HNTCH_.下面将解释第一组凹槽的设置。

备注

只有一个滤波器可以是模式 4（FFT）。

确定带阻滤波器中心频率

在实际安装动态带阻滤波器之前，必须首先确定需要滤除的频率。如果采用静态带阻滤波或动态带阻滤波器，这一点至关重要。 基于节流阀的动态凹槽设置 使用。虽然其他方法在设置参数前不需要了解这些知识，但作为滤波器激活后分析滤波器效果的比较点，这一点还是很有价值的。

噪声频率确定后，就可以进一步设置带阻滤波器。历史上 利用 IMU 批量采样器测量振动 也可用于速度较慢的 CPU，如基于 F4 的(飞行)控制器），记录短暂的 IMU 原始数据以进行频谱分析。

从固件 4.5 版及更高版本开始，如果(飞行)控制器是基于 H7 的，则可以使用连续的原始 IMU 数据，并使用新的网络工具，开发出一种更好的方法。 这种方法现在更受欢迎.

备注

如果您看到两个噪音峰值相距很近，则可能是您的旋翼飞行器存在严重的偏航不平衡。请参阅 偏航失衡部分.

滤波谐波数

  • 设置 ins_hntch_hmncs 以启用多谐波滤波器，其中心频率最高可达基频凹口的 16 倍（中心频率的倍数）。对于电调 INS_HNTCH_MODE 跟踪时，每个电机都会有一组这样的凹槽。如果八旋翼飞行器设置了三个谐波，则会产生 8 x 3 = 24 个带阻滤波器。启用三重凹槽（见下文）将会产生 72 个滤波器！这肯定会导致过多的 CPU 负载和性能问题。其他模式只提供单组谐波凹口。

始终只启用实际需要的谐波带阻滤波器数量，如果使用 ESC (INS_HNTCH_MODE = 3）跟踪模式。启用过多谐波会导致 CPU 周期耗尽，产生不可预知的结果。三次谐波通常是安全的。

检查带阻滤波器的有效性

设置好带阻滤波器后，可以通过再次测量滤波器输出（即 IMU 传感器的新输入）的频谱来检查其有效性。请参考 利用 IMU 批量采样器测量振动 或 用于 FFT 分析的 IMU 原始记录 页面。

多凹槽

所使用的软件带阻滤波器非常 "尖锐"，相对较窄，但中心衰减能力强。在较大型的旋翼飞行器上，电机的噪声曲线非常脏，覆盖的频率范围比单个带阻滤波器所能覆盖的范围更广。为了解决这种情况，可以将谐波带阻滤波器配置为多个带阻滤波器，以提供更广泛的显著衰减。配置由 INS_HNTCH_OPTS 参数。这是一个位掩码参数，可以同时使用多个选项，但应避免同时使用第 0、1 和 4 位。在给定配置中只能使用其中一个。

INS_HNTCH_OPTS 位

行动

0

双重叠凹槽

1

多信号源：如果使用 FFT 模式，则将为三个最大的噪声源分配一个凹口。如果使用电调遥测模式，则每个电机的转速都将分配一个凹口。

2

以循环速率更新滤波器。这需要大量 CPU，但能更快地跟踪噪声变化。只有当频率源以环路速率更新时才有效，即双向 DShot 遥测。

3

启用每个 IMU 上的凹槽，而不仅仅是主 IMU。这需要耗费大量 CPU，但可以在嘈杂环境和调试时做出更好的车道切换决策。不建议用于 F4 电路板。

4

三层重叠凹槽

备注

由于增加了三凹槽选项，因此不再推荐使用双凹槽选项。使用双凹槽时，最大衰减位于中心频率的两侧，因此在峰值非常明显的小型飞机上使用双凹槽通常会适得其反。

备注

每个槽口都会占用一定的 CPU 资源，因此如果配置多个槽口，飞机上就会出现很多槽口。例如，使用电调遥测功能的三重单一（无谐波）凹槽将导致每个电机产生 3 个凹槽或总共产生 12 个凹槽。例如，使用 F4 cpus 时，这应该是可以接受的，但使用电调遥测功能启用第二组三重凹口时，就会出现以下情况 ins_hntc2_enable 或多个谐波凹槽，可能会造成问题。