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多旋翼飞行进阶技能-姿态感知

站长折腾 KANZHAJI 9820浏览 5评论  赞 1

多旋翼飞行器以自身动力驱动桨叶旋转形成升力,通过转速控制达成机体在空气中的姿态控制,飞行控制即是动力系统消耗能量与空气交互作用的过程。
风是人类最常见的自然现象之一,它是由太阳热辐射而引起空气流动,由于地球不停的运转,和太阳对地球表面不均衡的加热,就产生了不同变化规律的海风、大陆风、山谷风等。
而室外飞行,随时变化的外部气流环境,直接作用和影响着机体姿态。再加上飞行器为抵消风力而修正姿态产生的开销,在某些情况下,续航时间甚至像无线电距离一样时刻随环境改变而变化,飞手对姿态感知的决断,亦时刻关乎安全飞行。
民航飞行训练也会经常强调提高飞行人员个人的姿态感知能力(Situation Awareness),通过合理的分配注意力,来保持对飞机所处外部环境和飞机自身状况的感知。利用这些信息,实现对飞机状态变化趋势的预判,从而使整个飞行过程处在安全可控状态下。

下面以民用消费市场普及度最高 DJI 大疆创新产品为平台,向大家阐述多旋翼飞行器如何通过姿态感知,更加安全和高效完成飞行作业。
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(图片由KANZHAJI群:255912980 成员 @嘲风 提供)

 

早期获取飞行器实时数据,源于OSD通过视频信号输出,为图传输出叠加过:卫星数、电压、速度、飞行器模式、高度、离家距离、返航角度、姿态值等一系列参数的视频信号。
因多旋翼飞行器无需机体升力设计,不存在机体失速问题,所以无空速管装置,OSD叠加速度实为地速,飞手无法得知机体真实风力情况。进而导致姿态值与速度往往最易被忽视,尤其在三轴云台目前成为标配,飞行器真实姿态在图传中被云台增稳消除。纯手动模式,也在RTF新机型中,彻底退出了历史舞台。新人则没有机会感受飞控异常时,唯有切纯手动模式(并非带定高、带增稳的ATT模式),根据P,R值修正姿态,完成迫降的刺激。
在多旋翼飞行器上,机体姿态与速度相互影响,互为因果,即使飞控一切正常,在超视距、大风、山谷、夜间等环境中飞行,姿态感知也是作业决策的重要依据。
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上图为DJI IOSD界面

在悟、精灵3发布之前,用户都需单独购买和接驳IOSD MINI或IOSD MARK,达成OSD画面叠加。飞行器姿态通过OSD界面顶部中央的 P(仰俯) , R(横滚) 值和姿态参考线将机体姿态反馈给飞手。

然而DJI 以 Lightbridge 一代试水高清数字图传以来,其实已有意将OSD转化为APP叠加模式。但因初代产品种种问题及价格高企,知晓者寥寥。
直到 Inspire1 悟发布,高清数字图传才与APP叠加成熟结合,大放异彩~~~


OSD时代的P , R和姿态参考线,也通过姿态球更加直观的体现。

 

在真实环境下,风力对飞行作业主要有哪些影响呢?
1、续航和电池电压起伏:外部风力较大时,动力系统需要消耗更多能量来完成定点,并尽量抵消姿态变形,续航时间会缩水,从而必然影响飞行距离。
2、飞行速度起伏:操控响应受风力影响,机体动能会高于或低于产品标称性能。
3、云台稳定度变差:要求苛刻的场合,导致录像和照片报废。
4、定点困难和航向干扰:需要飞手有更细腻和精准的操控。

 

因玩家手中亦有大量独立飞控和老产品尚在服役,本着继往开来的思路,我先从保有量较大的精灵2说起。精灵2玩家用于超视距和航拍飞行,一般都会采购IOSD MINI进行安装。


OSD画面顶部中央的姿态值,P的正负分别代表飞行器的抬头和低头状态。无风情况下,P负值越大,代表飞行器M1,M2电机正在执行减速,M3,M4电机正在执行加速,飞行器姿态处于低头前飞状态,反之亦然。R值同理应对横滚姿态值,负值越大向右倾斜越多,反之亦然。
风力越大,悬停要改变的P,R值就越多。脱杆悬停时P,R值几乎为零的夜晚,是拍摄夜景的好机会。
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精灵2在无风天气,最大飞行速度为15米/秒,GPS模式则更少一些。
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飞行时我们一般根据人体感知风力,按经验决定是否飞行,而飞行器感知的真实风力往往大得多。
有风天气,要怎样才能更安全的飞行呢?

这时需要关注静态悬停下的姿态值,和动态巡航时姿态值和速度两个指标!同时需根据机型在特定飞行模式下的性能,用无风天气姿态角与平飞速度的比例关系,估算风力。

以精灵2为例:当起飞达到11米高度后发现,飞行器需要以姿态值 P -8才能基本悬停定点时,代表机头迎风已达三级以上。随着飞行高度的增加,风力还有持续增大的可能。
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由于地形不同,因此风的形成也不同,太阳辐射山顶受热快,白天山风上升,夜间山风向下。从地球表面到100m高空层内,空气的流动受到涡流、黏性和地面摩擦等因素的影响,靠近地面风速较小,离地面越高则风速越大。
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这时候如有硬性作业需要,就需合理控制飞行高度、范围,并缩短作业时间。
例如:爬升到作业高度40米后,可通过巡航感知姿态值和速度的关系。若姿态值以P -12,速度3~5米/秒,则作业高度风力大于四级,飞行范围和时间还需进一步缩水。通过降低高度,在一定程度上会缓解姿态开销。
一般经验是,如估算风力大于四级,不建议执行超视距飞行,触发失控返航更有很高概率只能耗尽电力而丢机。

若你的精灵2运气极度不佳,遇到下图这种情况,P值-24,速度只有3.2米/秒,离家还有925米,放心。。妥妥的需要执行一次寻机任务。
(见站长喜闻乐见丢机帖:《拍雪景遇大逆风挣扎返航失败,飞丢精灵2再寻回~~》

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飞行器抗风能力,主要由飞行器外形、挂载、动力冗余、电池性能决定。飞手需要根据实际情况,动态调整作业方式。
DJI产品从最早只显示电压,靠飞手根据计时器结合电压计算返航时间;到精灵2智能电池通过电流计计算有效容量;

再进一步发展到悟最新电池固件,通过飞行距离、飞行高度、电池容量、电池电压、电池温度,综合考量得出可用飞行时间和可用姿态范围,虽说每一次的进步都让飞行更加安全。但依旧无法将变化幅度大,并无规律可循的姿态修正开销,以简单易读的方式,在APP界面中表达出来。而作为合格飞手,这些都是需要学习和了解的。

下面到新产品了~~~以悟为例,让我们先看看左下角这个精致的小球球,它的功能主体是PR值、姿态线的升级形态。其中也包含了返航点和飞行器相对朝向,并且当飞行距离增加时,代表飞行器箭头也会比例缩小。
当悬停在姿态球上表现为大姿态修正时,需留意飞行器离返航点的远近(或飞行器代表的箭头大小)。

 

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通过下面这张图,可以非常直观的理解姿态球颜色比例与飞行器姿态的对应关系。(严肃点,不许笑….-___-!!)
(本逗逼图的经历来自于站长的又一次嘬死飞行,详见趣闻《inspire1如何飞丢,如何找回的全过程》)为什么我要说又呢?

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当摇杆仰俯打满时,姿态球蓝色占据更多比例,代表飞行器低头前进中,与老产品OSD叠加增大P负值同理。
从悟发布开始,大量优秀的夜景照片开始喷发,在DJI GO提供丰富即时的相机参数调控外,云台对自由模式的支持也功不可没。但夜景拍摄,对姿态稳定度要求更高,获取一张无暇的照片并不容易。同样长曝光参数,一致的ISO设置,却拍不出清晰的照片。
众所周知夜景拍摄为保证噪点小、画面明亮,大家往往设置为ISO 100,高空拍摄曝光则长达5~10秒。纵然云台在自由模式可以极大抵消姿态、航向变化,而长曝光需要的稳定度依旧挑剔。如果我们能注意观察姿态球的变化,则有避开乱流和阵风的机会,在姿态球色彩比例最接近于50%按下快门,为云台争取最佳补偿时机。

 

如DJI愿意,其实可将DJI GO的姿态球改进得更加科学,将飞行器当前维持姿态开销电流与姿态球结合,默认蓝色代表维持当前姿态开销处于平均水平,黄色代表高电流开销状态,红色代表接近动力阀值。
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例如:当姿态球处于黄色时,拍摄夜景就难以达成5秒以上曝光,只能高ISO作业。
而当姿态球持续处于红色时,则代表飞行器遭遇大逆风、强阵风等场合,飞手可降低高度或选择降落。
飞手可根据飞行器剩余可用能量更好的控制机动。

 

还有另外两个参数从侧面也可估算姿态开销:
1、飞行器电量递减的速度。
比如精灵2,无风天气飞行一分钟开销掉4.5%左右电量,有风天气,会大大高于4.5%/一分钟左右的动力开销。
当你发现低于1分钟就消耗掉>6%电量,乖乖的降低高度往回飞吧。
这一点DJI GO同样具有改进空间,将电量参数用固定翼飞控类似的上升、下沉率显示,告知飞手现在电量递减的速率,同样可以警示飞手。
2、脱杆悬停时,飞行器是否出现H.S>2。
精灵2,精灵3在GPS信号良好的情况下,风力如小于<6米/秒,是一般不会出现H.S>2的漂移值,如果该漂移值长时间持续,恭喜你,大风了!降低吧….

 

拉拉杂杂讲了这么多,最后总结一下:
能适应环境的飞行作业,具有极高难度。需要飞手时刻保持高度敏锐的洞察力,能对飞行器的多种实时参数和环境做及时应变,唯有对不断飞行,累积经验,方可游刃有余。

PS:20160415更新
精灵4在切换到运动模式时,姿态球将在月光下华丽变身为转速输出仪表,根据飞行器动力转速量以变色仪表提示。。。大风或全动力飞行时,仪表盘体真的会发红提示你哟~~
不管是否厂家有采纳我的建议,本站长都含笑不语,只要让飞行更加开森,就满足啦。
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网友最新评论 (5)

  1. 这么牛逼的的帖子没人顶!
    cavens4个月前 (02-18) [江苏省 移动网友]回复
  2. 建议精辟合理,这得多少次的飞行经验的结晶啊,祝大家爽飞!,另站长威武
    宵待月1年前 (2016-06-10) [山东省 电信网友]回复
  3. 顶站长!!
    k1年前 (2016-01-07) [天津市 电信IDC机房网友]回复
  4. 技术贴,支持
    fbirui0071年前 (2016-01-06) [上海市浦东新区 电信网友]回复
    • :grin: ~~ 欢迎捧场。。
      SB-DJI1年前 (2016-01-06) [局域网 对方和您在同一内部网网友]回复