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标题: Kalman滤波器设定调参 [打印本页]
作者: 飞鸟翌 时间: 2018-3-31 22:03
标题: Kalman滤波器设定调参
本帖最后由 飞鸟翌 于 2018-3-31 22:14 编辑
由于kalman滤波器引起的争议和风波，已经把Betaflight推上了风口浪尖。
今天我不打算过多涉及这些争议，仅仅只讨论滤波器设定本身。
警告：以下调参内容，使用的都是未经长时间优化的固件，使用本文以下所述固件和调参方法，你要把自己当做一个测试人员，飞机可能随时会抽风，暴走，炸机，引起人身伤害事件。使用以下方法时，即代表你充分明确理解以上风险，并自己承担由此引起的所有后果。
警告：并没有透彻理解PID调参，D set值，PT1滤波，动态滤波调试方法的初学者，或者中级玩家，请使用默认参数和正式版固件，本文中的内容不适合初学者。相信我，默认参数已经足够优秀，等你累计了足够多的飞行经验，才能判断出如何来调试飞机，在这之前，请安心使用默认参数，FPV的精髓在于飞，不在于电脑前敲代码。
提示：优秀的飞手，是飞行技术和硬件的完美结合，飞行技术的提高，不仅仅是硬件或者软件算法的优化，更是大量飞行时间的积累，使用新的算法可以一定程度上解决你的问题，但是说用了新的算法对于飞行的技术一定有很大提高，这个不一定。
提示：以下内容是通过多家YouTube上主播的评测，Betaflight wiki的issue讨论，RCgroup的讨论贴，聊天软件上的问答，讨论，整合而来。本人能力有限，时间也不是太充裕。只是希望尽快将这些信息发布出来以保持和老外进度的同步。对这个kalman滤波的理解并不是十分透彻，请各位在留言里面多多指教。
以下是阅读本文之前你需要具备的基本知识点，也可以看做是很多背景知识介绍，扫盲。每一条都可以扩展出很多内容，会在后续公众号推文中展开，这里不做具体解释。
1：Betaflight3.3.0RC1~3到正式版，集成的是BiquadRC+FIR2滤波器，开发者表示其效果和kalman滤波器一样，“1+2=3，数学上是完全一样的”。
2：Betaflight3.3.0正式版的BiquadRC+FIR2滤波器，需要使用CLi命令激活和设定，如果没有使用CLi命令行打开这个滤波器，飞行性能和之前的3.2.X版本一致没有变化。
3：在早期的betaflight3.3.0 测试版中，序列编号为#521之前的固件版本集成了Kalman滤波器，之后的版本kalman的代码还在固件内，但是入口被关闭了。（也就是你无法启用Kalman滤波器）
4：RS2K（最早给BF加入kalman算法的人）在RCgroup上的博客发表的BF3.3.0测试版固件，默认开启Kalman滤波器，其中的kalman滤波器代码，是RS2K写的，他在Slack里面说过，和Raceflightone使用的是一样的东西。
5：Ctzsnooze（BF开发者，就是他写了BiquadRC+FIR2滤波器的代码），强烈建议mikeller在CLi中保留kalman和BiquadRC+FIR2的入口，这样使用者可以自己使用CLi命令切换这两种滤波器，这样可以比较两种滤波器的效果。但是mikeller表示现在已经是发布RC版和正式版的窗口期了，不能做大的源代码变动，拒绝了这个提议。
6：RS2K和HelioRC的一伙人，一起搞了Butterflight（黄油固件），这个版本的固件和调参软件是Betaflight的Fork版本，也就是说完全拷贝Betaflight的内容之上修改而来，所以本质上和Betaflight是一样的东西。
7：helioRC出品了一款飞控，号称使用了陀螺仪硬件滤波，完美支持黄油固件。
8：Butterflight 3.4.2 （黄油固件）同时集成了Kalman滤波器和BiquadRC+FIR2滤波器，默认开启Kalman滤波器，可以通过CLi命令行来切换这两种滤波器。
9：kalman矩阵方程里面最重要的就是Q值（过程噪声协方差）和R值（测量噪声协方差）这两个值的确定，目前是用等效于Stage2的低通频率的方法，通过查表的方式来换算出基础的Q值，（R值固定不变），再通过少许调节Q值的方法来调试kalman滤波器。
10：kalman算法可以在8k采样率陀螺仪上完美工作，但是发挥最大性能，是在32k采样率之下。
11：betaflight是在cleanflight的基础上fork出来的版本，butterflight是在betaflight之上fork出来的版本，这些软件代码都遵循GPL3.0开源协议（通用性公开许可证），就是你无法通过商业用途赚钱，都必须公开源代码。同样，只要你使用了GPL3.0开源协议的代码，哪怕就是一行，那你的软件就等同于继承了GPL3.0协议，也必须完全公开。这个大家百度一下GPL3.0就出来了。
========开始吧========
本文中的案例都是使用butterflight来演示，实际你使用RS2k发布的那一版，也可以使用以下参数。
使用kalman滤波器的第一个难度在于确定Q值。
黄油固件的首页，提供了一套参数
放大来看，熟悉命令的可以知道，这里面其实就三条命令有用，来依次解释一下。
set dterm_lowpass_type = PT1
设定D-term的软件低通滤波器为PT1
这个就等效于，把这里改成PT1
feature AIRMODE 打开airmode
feature ANTI 打开反重力
feature DYNAMIC 打开动态滤波
等效于，上面三个滑块全开的效果。
set gyro_stage2_filter_type = FAST_KALMAN
设定2阶滤波器为快速kalman
set gyro_filter_q = 400
设定kalman矩阵Q值为400
set gyro_filter_r = 88
设定kalman矩阵R值为88
BiquadRC+FIR2和kalman都是陀螺仪软件低通滤波器，所以现在最简单的办法，是用BQRC的设定值，来等效算出kalman的方程Q值。
这个默认值，就是BQRC的设定低通切断频率，90Hz。或者是你在命令行里面设定的gyro_stage2_lowpass_hz = XX 这个频率值。通过这个切断值，来换算kalman的Q值。
这里有两种方法，第一是查表。
首先在第一行里面找到你的陀螺仪采样率，例如32K，往下找到90Hz附近的数值，看起来最接近的就是84~97Hz，然后往右边找，对应的Q值大约是7。
同理，可以找出在90Hz切断频率条件下，16K采样率对应的Q=28，8K采样率对应的Q=100，
4K陀螺仪采样率，对应的Q=400。
总结一下，在切断频率是默认值90Hz的情况下，换算而出对应的kalmanQ值是
32K采样率 Q=7
16K采样率 Q=28
8K采样率 Q=100
4K采样率 Q=400
针对32K的陀螺仪，不管Q是多少，R全部固定在88，即可。
接下来，针对32K采样率的陀螺仪，就可以在命令行里面输入
set gyro_filter_q = 8
set gyro_filter_r = 88
save
来设定好kalman的Q值和R值。
第二种方法，上网
进入 https://quadmeup.com/bf_kalman_calculator/ 这个网页
好吧，接下来就是一个数字游戏，我们填入陀螺仪采样率32000，填入R值=88，然后就是凑数了，多少的Q对应多少的切断频率。
额，顺路来看看默认值……
额，对于32k来说，感觉是不是高了一些……按照5寸机通常是260Hz左右的噪声值来说，711Hz的切断频率，这第一个低通滤波完全就木有发挥作用好伐……
32K陀螺仪，设定到Q=400的表现，就是在新机状态会没有问题（新机没有震动），但是一旦有一点炸坏了，那好，抖到炸机。
但是同一架飞机，之前使用BiquadRC+FIR2滤波器设定到90Hz毫无问题的。
改成4K的陀螺仪，数值就正常了。
RS2K对于kalman的调参建议，针对32K的陀螺仪，固定R=88不变，然后Q依次从小往上调，如果噪声很大的飞机，那Q要低一些，如果飞机噪声很低，那么可以将Q调高一些，避免过度滤波。也可以经常使用这两个表格，来确定目前滤波的程度，毕竟看Hz比看Q值要容易理解的多。
需要注意的是，Q越高，其等效的切断频率就越高，这个通过查表就可以看出来，所以抬高Q，就相当于提高了切断频率的值，降低Q，就相当于降低了切断频率的值。
切断频率90Hz是默认值，如果你的飞机很“安静”，那么可以适当抬高切断频率（抬高Q），如果你的飞机噪声很大，那么可以适当降低切断频率（降低Q）。
这个也是Ctzsnooze(BF开发者）说的，其实BQRC更好调整和容易理解一些，虽说这两个参数在“数学上是完全等效的”。
在CLi中输入，get gyro 就可以查看的相关命令，这里可以看到，黄油固件保留了kalman，BiquadRC+FIR2这两个滤波器。
如果你要用回BF3.3.0里的BQRC滤波器，那么输入
set gyro_stage2_filter_type = BIQUAD_RC_FIR2
别忘记设定stage2的切断频率
set gyro_stage2_lowpass_hz =90
别忘记保存
save
然后再打开Cli确认一下命令数值是不是都正确，这就切换回BQRC滤波器了，这就可以自己尝试两个滤波器的区别了。
上图是我的测试平台：
自制玩玩的机架
飞控：matek F722 STD
电调：iPeak 35A 四合一 BLheli_32
电机：DYS 2207 2300kv
参数设定：
陀螺仪32k/Looptime 16K
Multishot PWM强制同步到32k
开动态滤波，开PT1
kalmanQ=10
kalmanR=88
moron_threshold = 200
PID为默认
以上参数仅在我的平台上测试成功，飞了30电左右，油门到底有轻微抖动，之后由于电机烧了，暂时没法继续做测试了。
其余动态滤波的开启，32K陀螺仪的开启和冷启动bug解决，以及PT1 D-term的开启，这些都是常规操作了，或者可以参考之前的公众号历史消息，就不再赘述了。
=========小工具=========
安装Kalman Lua 由于在OSD里面没有继承这个调节选项，所以似乎用遥控器脚本来调参更方便一些，当然不是说非得用这个，用电脑调参也是一样的。上图里面的数值显示有点bug，不过不影响使用。具体如何安装kalman Lua，这里就不再展开了。
kalman Lua传送门：https://github.com/papayou66/betaflight-tx-lua-scripts/releases
有看不明白的地方，或者有需要更正的地方（因为kalman新出来，相关的内容还在更新中，可能会有很多需要更正的地方），大家可以在下方留言给我反馈。
特别注意飞行安全！祝大家玩的开心！
文件链接：
RS2K在RCgroup上发布的kalman固件
https://www.dropbox.com/sh/ijtkl9bfu4pgq8z/AAACQugd9iSqkkPLDT1owgY-a?dl=0
kalman Q和R值与BQRC的切断频率换算表
https://quadmeup.com/bf_kalman_calculator/
kalman滤波器 Lua脚本下载链接
https://github.com/papayou66/betaflight-tx-lua-scripts/releases
解决OpenTX使用脚本出现内存溢出的讨论贴（已解决）
https://github.com/opentx/opentx/pull/5579
HelioRC的网站
https://www.heliorc.com/
Butterflight 主页
http://butterflight.co/
Butterflight 固件下载地址
https://github.com/butterflight/butterflight/releases
Butterflight 调参软件下载地址
https://github.com/butterflight/butterflight-configurator/releases
部分需要的文件：
已放入公众号云盘，需要的同学可前去下载。
作者: liujiang168 时间: 2018-4-1 00:36
好贴子，收藏学习！！！
作者: 飞不高的小小鸟 时间: 2018-4-1 01:21
好复杂，
作者: hcc 时间: 2018-4-1 08:51
学习了！！！
作者: 武杰杰 时间: 2018-4-1 09:07
好帖必定
作者: Monki 时间: 2018-4-1 13:02
一直有追樓主的貼，實用，無私
作者: jcofee 时间: 2018-4-1 17:06
这个才是好帖，学习了！
作者: CPM 时间: 2018-4-1 18:57
好贴 顶
作者: 数不清 时间: 2018-4-1 22:57
技术贴要支持。
作者: 闲着没事 时间: 2019-1-17 22:02
好贴帮顶 记号
作者: reach3 时间: 2019-1-18 13:05
从头看到尾，似乎好像明白了，但好像没啥用，一个Q值一个R值，反正也不需要改。但是，好贴要顶。
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