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Cómo ajustar los PIDs

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Cómo ajustar los PIDs

 
Gráficos PID

 

 

Muchos software para cuadracópteros, como el Betaflight y el KISS permiten a los usuarios ajustar los valores PID para mejorar el comportamiento en vuelo. En este post explicaremos que es el PID, cómo afecta éste a la estabilidad y manejo del aparato, y algunas técnicas sencillas para ajustarlo en un quad,

Qué es el PID en un cuadracóptero

Desafortunadamente no vivimos en un mundo ideal, así que se inventó el controlador PID para acercar el mundo real a ese mundo teórico perfecto.

PID es una función en los controladores de vuelo. Lee los datos de los sensores y les dice a los motores cómo de rápido deben girar. De este modo es como se consigue la estabilidad en un cuadracóptero. PID son las iniciales de Proportional – Integral – Derivative (proporcional – integral – derivativa). El controlador PID es un sistema de control de bucle cerrado que intenta que el resultado real se acerque al resultado deseado obtenido ajustando la entrada. El error producido es introducido de nuevo al procesador y el mismo cálculo se vuelve a repetir.

El controlador PID calcula un valor del error como la medida entre una variable medida y el valor de esa variable deseado. El controlador intenta minimizar ese error ajustando las entradas de control.

Respuesta PIDs

Esto está relacionado con algo que nos es familiar: En un multirrotor, el controlador PID toma los datos de los sensores y los compara con los valores esperados. La diferencia sería lo que aquí estamos llamando “error”. Así, el FC altera la velocidad de giro de los motores de modo que el “error” se reduzca en la siguiente toma de datos de los sensores. Y este es el modo en el que un cuadracóptero se estabiliza.

Un controlador PID realiza tres funciones: P, I y D. Estos valores pueden ser interpretados en función del tiempo:

P mira al error presente – Cuanto más lejos está del valor deseado, más empeño pone en corregirlo

D es una predicción de futuros errores mirando cómo de rápido nos aproximamos al valor deseado y a medida que nos aproximamos a dicho valor contrarresta a P

I es la acumulación de errores pasados. Mira a las fuerzas que se repiten en el tiempo. Si un eje se desplaza continuamente de su valor deseado debido por ejemplo al viento, acelera alguno de los motores para contrarrestar este efecto.

Si en este momento te sientes completamente confundido, no te preocupes. No necesitas entender la teoría PID para ajustar los PID de tu cuadracóptero. Si careces de paciencia vete directamente al capítulo “Un proceso simple para ajustar los PID”. Si te interesa cómo funciona esta cosa sigue leyendo.

Para tener control sobre un cuadracóptero:

  • Primero debemos medir la velocidad angular de quad (cómo de rápido gira en cada uno de los ejes)
  • Conociendo la velocidad a la que queremos que gire el quad, podemos estimar el error
  • Se puede entonces aplicar los tres algoritmos de control al error y obtener las salidas adecuadas hacia los motores para corregir dicho error.

Está es la descripción académica de cómo funciona un controlador PID. En la práctica, cada uno de estos tres parámetros presenta efectos únicos para la estabilidad y las características de vuelo del aparato.

Estos parámetros son números con los que podemos jugar. Son básicamente los coeficientes que se aplican a los tres algoritmos que se han mencionado anteriormente. Los coeficientes cambian la influencia de cada uno de los tres algoritmos en la salida de corriente a los motores.

Configuración PIDs en Betaflight

El efecto de cada uno de los parámetros: P, I y D

 

Vamos a ver que efecto tienen estos parámetros.

Un multirrotor puede girar en tres ejes, y para cada eje hay un controlador PID. Es decir hay un juego de tres coeficientes para ajustar en cada eje. Un total de 9 coeficientes.

Afortunadamente no hace falta entender completamente como funciona un controlador PID para poder volar un cuadracóptero.

Generalmente, alterar los valores PID (las ganancias) tiene el siguiente efecto en el comportamiento de un cuadracóptero:

Ganancia de P

P determina cómo de duro el FC corrige al error para conseguir la trayectoria de vuelo deseada (dónde quiere el piloto llevar el aparato). Piensa en ello como la sensitividad del mando y el ajuste de la respuesta a las entradas en él. A veces P puede afectar la velocidad. La velocidad se sentirá mayor si P es más alta.

Hablando en términos generales, una ganancia de P más alta significa un control más brusco, mientras que una ganancia baja de P implica un control más blandito. Si la P es demasiado alta, el cuadracóptero se vuelve muy sensible a los mandos y se auto corrige en exceso, provocando oscilaciones. Se puede reducir P para disminuir estas oscilaciones, pero el aparato se podría volver perezoso, en cuyo caso habría que jugar con I y D para compensar. Empiezas a ver la belleza de los ajustes PID?

Ganancia de I

El valor de I marca cómo de fuerte el dron mantiene su actitud frente a variables externas, incluyendo el viento o un centro de gravedad desplazado. Puedes pensar en ello como si fuera un ajuste de la tozudez del movimiento.

Normalmente, el valor por defecto de I funciona bien en la mayoría de los FC modernos, pero si existiese una cierta deriva sin haber entradas en el mando, entonces deberías incrementar el término I.

Cuando I es demasiado baja, te encontrarás continuamente corrigiendo el vuelo del quad, especialmente en cuanto toques el acelerador.

Cuando I es muy alta, el movimiento del cuadracóptero se encontrará coartado por el término de I, y se sentirá rígido y no responderá bien a las entradas en el mando. Es similar a tener una reacción más lenta y al efecto de una disminución en la ganancia de P. En los casos más extremos, con una ganancia de I excesiva, el dron puede oscilar con una frecuencia baja. Ni los ESCs ni los motores son exactamente idénticos entre ellos, así que siempre habrá una pequeña diferencia en cuanto al empuje que cada uno de ellos proporciona. Cuando pegas un acelerón e inmediatamente bajas el gas, un motor podría empezar a moverse y también pararse un poco más rápido que los otros, y esto provocaría un movimiento indeseado. La ganancia de I puede ser usada para ajustar estos pequeños detalles en el vuelo del cuadracóptero.

Ganancia de D

La ganancia de D funciona como un amortiguador. Reduce las sobre correcciones causadas por el término P. Incrementando la ganancia de D puede “ablandar” los movimientos como si se introdujese un amortiguador, disminuyendo los desplazamientos bruscos ocasionados por una P demasiado alta y eliminando las oscilaciones.

Cuando la D es demasiado baja, el quad “rebotará” al final de un movimiento brusco. En cualquier caso, un valor excesivo de D puede producir vibraciones porque amplifica el ruido en el sistema. En su intento de hacer que el cuadracóptero vuele de forma más suave, el FC les dirá a los motores que giren más rápido o más despacio a un ritmo tal que no podrá ser seguido por el motor, haciendo que éste se acabe recalentando. La vibración se re alimentará hacia el controlador de vuelo empeorando la situación.

Otro efecto colateral de un valor alto de D es el incremento de la latencia entre las entradas en el control y la reacción del dron.

Configuración PID en Cleanflight

 

Es necesario el ajuste PID?

El ajuste PID solía ser necesario, pero esto ya no es cierto hoy día. Los FC modernos poseen algoritmos optimizados y filtros de ruido sofisticados, y por ello normalmente vuelan bien según salen de la caja con los valores de PID que vienen por defecto, a menos que estés usando componentes de muy baja calidad o que el dron esté muy mal construido.

En cualquier caso, saber ajustar los PID puede marcar la diferencia entre “volar bien” y “volar de forma perfecta”.

Cómo ajustar las ganancias de PID en un cuadracóptero

 

Antes de ajustarlas:

El dron debe ser afinado en el modo de vuelo acrobático, nunca en el modo de auto nivelación.

El centro de gravedad del dron (CG) debe estar en el centro del aparato. La posición del CG tiene un gran impacto en las características de vuelo del aparato, y en cómo éstas pueden ser afinadas.

No hay una forma correcta o incorrecta de ajustar los PID. Cualquier cosa que te funcione está bien.

Lo mejor es empezar usando los valores PID por defecto. Con el software para FCs moderno, como Betaflight o KISS, estos valores funcionan bastante bien. Después de volar un poco, si se advierten comportamientos indeseados, es el momento de ajustar los PID.

Si el dron volase realmente mal con los valores de PID por defecto, por ejemplo con muchas vibraciones, se puede intentar ajustar los PID partiendo de valores bajos. Simplemente baja los valores de PID a la mitad para asegurarte que no se está partiendo de valores demasiado altos.

Cada vez que ajustes los PID deberías preguntarte: mejora el vuelo o empeora? Debes intentar encontrar el punto en el que los cambios empeoren el comportamiento del aparato. Haz el ajuste eje por eje. Primero el alabeo, luego el cabeceo y por último la guiñada. En cada uno de los ejes, ajusta los valores de PID uno por uno. Primero la P, luego la D y por último la I. Normalmente hay que volver de un valor a otro ya que la variación de uno implica un cambio en el efecto de otro.

El PID y la guiñada

La parte más difícil de entender intuitivamente al ajustar los PID es la guiñada (giro del aparato alrededor de un eje vertical), pero a su vez es la parte más fácil, ya que si se dejan los valores por omisión de Betaflight, el quad volará bien.

Para producir la guiñada, las dos hélices de una diagonal deben girar más rápido que las otras dos hélices de la otra diagonal.

El ajuste de los PID en la guiñada puede afectar el comportamiento de tu quad hasta cierto punto, pero debes entender que hay otros factores que pueden contribuir a la desestabilización en la guiñada. Uno de los síntomas más comunes de una mala guiñada es que al realizar una guiñada brusca el aparato no mantenga su nivel de vuelo salga disparado hacia arriba.

Evidentemente, el vuelo de un cuadracóptero depende principalmente de su hardware: motores, hélices y ESCs. Este hardware determina tu máxima velocidad de guiñada (cómo de rápido puede el aparato girar por un eje vertical) hasta su desestabilización. Para mejorar el comportamiento en la guiñada, se puede intentar lo siguiente:

Usar hélices más pesadas. Las hélices con mayor paso pueden generar más par de giro a costa de perder eficiencia

Incrementar las RPM del motor utilizando motores con mayor KV o incrementando el voltaje de la batería.

Utilizar ESCs con mayor capacidad de frenado. La desestabilización puede ocurrir cuando los dos motores que desaceleran no puede disminuir su velocidad tan rápido como los dos motores que aceleran aumentar la suya.

Reducir la distancia entre los motores también puede aumentar el control sobre el cabeceo. Un chasis de 6” con hélices de 5” tendrá peor guiñada que un chasis de 5” con las mismas hélices.

Si no te puedes permitir enredar comprando distinto hardware, el recurso que te queda es reducir la velocidad de guiñada para mejorar su comportamiento.

Un procedimiento para el ajuste de los PID

 

Para ajustar los PIDs podrías empezar tocando aquí y allá y viendo cómo te va. Puesto que tienes 9 parámetros para elegir, y que la modificación de cualquiera de ellos puede implicar que sea necesario volver a tocar el valor de otro, si intentas ajustar los PIDs sin ninguna metodología, puedes estar seguro que vas a necesitar muchas – muchísimas baterías hasta conseguir que tu dron vuele exactamente como tú quieres.

Vamos a describir un procedimiento que te puede servir para el ajuste de los PID con un cierto orden y unas expectativas de acabar la tarea alguna vez. Este método no ha bajado de ningún monte escrito en tablas de piedra, así que no es palabra de Dios. Sólo espero que tampoco sea el método de Confucio, y te deje peor de lo que estabas antes de empezar, así que antes de comenzar, apunta los valores PID que tienes ahora. Si el método no te funciona y la única alternativa que te queda es suicidarte, siempre podrás volver a ellos

P en el alabeo.

Vuela un poco. Con una buena P el control se debería sentir preciso y el quad seguir bien los movimientos del mando.

Intenta hacer unos giros cerrados. Si la P fuera demasiado bajo el quad se hundirá hacia uno de los lados. Si fuera demasiado alta tendrás oscilaciones rápidas. Cuando la P es correcta deberías tener oscilaciones mínimas y giros cerrados.

P en el cabeceo

Acrobacia aereaHaz un Split-S. A medida que aumentas la potencia para recuperar, presta atención al cabeceo del aparato. Si el quad no recupera tan rápido como debiera, probablemente P sea demasiado baja. Si tienes rápidas oscilaciones es que P es demasiado alta y deberías disminuirla.

Haz un ajuste fino hasta que se sienta al aparato con una respuesta ágil y sin un nivel excesivo de vibraciones. También escucha tus motores. Los motores con espasmos son un síntoma (que no recoge la cámara) de una ganancia de P demasiado alta.

El Split-S es una maniobra de vuelo que consiste en ejecutar un medio tonel poniendo el aparato en vuelo invertido para a continuación hacer un giro de 180º descendiendo, para acabar volando nivelado y en dirección contraria a la de partida, pero en un nivel más bajo.

TPA

TPA es un ajuste para reducir la efectividad de la ganancia de P a medida que el acelerador aumenta. Tira fuerte del mando y mira si aparecen fuertes oscilaciones. Si las hay, incrementa TPA. Un buen TPA debería permitir que los tirones produzcan movimientos relativamente suaves. No es recomendable usar un TPA mayor que 0.4.

D en el alabeo y el cabeceo

Si cuando haces movimientos agresivos notas un cierto rebote al final, incrementar D probablemente pueda ayudar a reducirlos.

Ten cuidado porque una ganancia de D excesiva puede hacer que los motores se calienten simplemente por usar demasiada energía en contener esos rebotes. Una buena ganancia de D también reducirá el “propwash”, es decir las vibraciones que se pueden producir al trabajar la hélice contra la columna de aire, por ejemplo al frenar bruscamente, pero si D es demasiado alta ocasionaría rápidas oscilaciones al final de cada giro brusco.

I en el alabeo

Inclina tu aparato a izquierda y derecha para ver si mantiene el ángulo bien. Quieres que se mantenga tal como está cuando sueltas el mando. Si al quad no puede mantener el ángulo, entonces la ganancia de I es demasiado baja y necesita aumentarse. Haz lo mismo avanzando hacia delante. Tu quad puede derivar hacia los lados si hay viento, así que la ganancia de I puede tener que ser ajustada según las condiciones del viento.

Lo recomendable as aumentarla hasta el punto de lograr un vuelo estable. Una I demasiado alta puede provocar movimientos rígidos y robóticos.

Ganancia anti gravedad

Vuela en linea recta y haz unos rápidos cabeceos para ver si mantiene el ángulo. Si tiende a hundirse aumenta la anti gravedad. 3 suele ser un buen valor para la mayoría de las configuraciones.

Ajustes PID en la guiñada.

Los ajustes de los PID en la guiñada deben hacerse separadamente. Los valores por defecto normalmente funcionan bien en las configuraciones.

P – Realiza una guiñada rápida y mira cómo para. Si tienes rápidas oscilaciones, entonces decrece P, pero si el quad tiende a hundirse de lado, entonces debes aumentar P.

Las vibraciones causadas por una P excesiva no serán tan fuertes como las de los otros ejes, porque el cabeceo es el movimiento más débil en los cuadracópteros, y la autoridad del mando, por tanto, mucho peor. Debes mirar también si el aparato intenta ganar altura cuando se hacen rápidos movimientos de guiñada. Puede ser indicativo de una ganancia P demasiado alta. Con la P adecuada, la guiñada debería ser limpia y rápida.

– Como se ha dicho antes, la I previene los movimientos de deriva, pero una I excesiva puede producir inestabilidad y reducir la respuesta. La I en la guiñada debería ser la justa para impedir derivas. Si nada está mal, deja los valores por defecto.

D – El peso que tiene el ajuste de D. Si D es demasiado alta, el quad se comportará como más atado y robótico. Si D es muy baja, tendrá un vuelo más fluido pero también un poco suelto y más lento. 0.6 suele ser un buen balance.

El Rate y el Expo son casi tan importantes en el comportamiento en vuelo del dron.

No le eches la culpa de todo a los PID

 

Antes de ajustar un quad, hay algunas cosas que debes comprobar en tu quad:

Vibraciones

No todas las vibraciones están causadas por valores altos de P. Necesitas mitigar las fuentes de vibración en los posible antes de afinar los PID. Por ejemplo equilibra los motores y las hélices, utiliza monturas anti vibración para los motores y el FC, si el chasis no es mono cuerpo, asegura la rigidez del mismo (que esté bien apretado, vaya), pon una capa de cinta aislante entre los brazos y el cuerpo del cuadracóptero, etc. Con un dron sin vibraciones puedes ajustar un P más alto y conseguir al mismo tiempo una máquina más suave para volar.

El Centro de gravedad

C de G de un Dron

El centro de gravedad CG del cuadracóptero debería estar en el medio, en un plano horizontal que pasa por los motores.

Qué pasa cuando el CG está desplazado de este punto? Algunos motores tendrán que trabajar más duro que los otros y esto, además de crear inestabilidad, hará que los motores se recalienten. Pongamos por ejemplo un quad en el que la batería se ha instalado demasiado detrás. Para compensar el desplazamiento del CG, los motores trasero trabajaran digamos que a un 100% mientras que los delanteros sólo lo hacen al 80%.

Distribución de la masa

Los cuadracópteros con una masa más centrada tienden a sentirse más precisos y con una respuesta más rápida. Cuanta más masa haya alejada del centro de aparato, más fuerza hará falta para hacerlo girar y más difícil será de pararlo una vez está girando, es decir su momento de inercia será mayor. Por este motivo los chasis en X se están imponiendo frente a los chasis en H. Además del cuadro, motores y ESCs más ligeros también reducen el momento de inercia (o inercia rotacional).

Cuales son tus PID? Pregunta incorrecta!!

No tiene sentido el usar los ajustes de otra persona en tu quad. Cada quad es único de alguna forma: distintos motores, hélices, chasis, distribución de peso, etc. Incluso la velocidad del viento y el clima es distinta según donde vueles, así que los valores ideales de PID también cambiarán.

Cuando re-afinar los PID?

Casi cada uno de los componentes de tu cuadracóptero tiene su efecto en los PID, así que cada vez que cambies de componentes en el aparato debes re-afinar los PID.

En Betaflight y Cleanflight, el tiempo de ciclo en la pestaña de configuración también tiene mucha importancia en los PID, así que si modificas cualquiera de los dos valores de éste, asegúrate de volver a los PID para ajustarlos.

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