摘要

本节主要记录ardupliot IMU批量采样测量振动分析方法。

1.(Measuring Vibration with IMU Batch Sampler)

IMU批量取样器可用于将IMU传感器的高频数据记录到自动驾驶仪上的dataflash日志中。这些数据可以在飞行后进行分析，利用数据的快速傅立叶变换（FFT）生成的图形诊断振动问题。
FFT将数据从时域转换到频域。换句话说，随时间（即飞行）记录的加速计数据可以转换为显示振动频率的图表。这些曲线图的一个常见特征是螺旋桨“叶片通过频率”（叶片穿过机臂的频率）出现峰值，这会导致机身加速。FFT有以下限制：

FFT不能显示超过传感器采样率一半的频率
可以显示的最小频率是样本量的一半除以样本率

采样速率通常与提供给自动驾驶仪的陀螺仪更新速率相同。例如，如果您在MPU9250传感器上使用 INS_FAST_SAMPLE（在现代Pixhawk类自动驾驶仪上相当典型），则采样频率为8KHz，但平均值和下采样频率为1KHz。如果您没有使用具有快速采样功能的自动驾驶仪，则采样率为1KHz
该1KHz“后端”速率是陀螺滤波发生的速率，即低通和陷波滤波器，在小型直升机上1KHz不足以避免较高频率噪声的混叠。例如，一架3英寸的直升机可能具有600Hz的全油门电机频率。由于滤波器只能在采样频率的一半（奈奎斯特极限）下应用，因此在1Khz下采样时不可能过滤600Hz的噪声，并且噪声将被混叠到较低的频率。

在固件版本4.1及更高版本中，后端速率已针对支持快速采样的IMU（即Invensense传感器）进行了配置，以便支持更高的速率。后端速率可通过设置INS_GYRO_RATE进行配置。默认0提供与以前固件版本相同的行为。速率为N表示后端速率为2^N Khz，因此，例如，值为1表示后端速率为2Khz，以此类推。

注意：
这提高了所有陀螺滤波器的运行速度，并且根据配置的槽口数量，计算成本可能会很高。高于0的值仅建议在F7或H7平台上使用，高于1的值只能在仔细调整后使用。这是为这些平台自动完成的。这允许在这些自动驾驶仪上捕获1KHz及以下的频率。
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2.Pre-Flight Setup（飞行前设置）

设置 INS_LOG_BAT_MASK =1以从第一个IMU收集数据。
不能检查LOG_BITMASK’s 的IMU原始位。默认的LOG_BITMASK 值很好。如果进行检查，结果可能会令人困惑，因为如果使用后过滤器或常规日志记录，您将无法获得样本。但是，如果使用传感器速率日志记录，并且您的SD卡能够处理，您将获得样本。

3.Flight and Post-Flight Analysis（飞行和飞行后分析）

执行一次至少几分钟的常规飞行（而不仅仅是轻轻的悬停）并下载dataflash日志。
打开Mission Planner，按Ctrl-F，按FFT按钮，按“新建测向日志”并选择上面下载的.bin日志文件。

FFT操作

加速计数据显示在左上角窗口中，纵轴显示振幅，横轴显示频率。振幅没有缩放到有用的值，这意味着该图对于确定振动频率很有用，但对于水平是否过高则没有用处。频率高于300Hz的振动可能导致姿态或位置控制问题。
默认配置显示过滤前的原始加速计和陀螺仪数据。滤波是防止噪声到达PID回路和电机的关键部分，因此，在滤波后查看数据也很重要。此外，在使用陷波配置高级过滤时（请参阅INS_NOTCH_ENABLE），如果不查看输出，则很难有效地执行此操作。为了查看后过滤器输出设置INS_LOG_BAT_OPT =2。
对于处于手动飞行模式的小型直升机，重要的是让尽可能多的信号在100Hz以下通过，而在100Hz以上尽可能少的信号通过。配置后过滤器输出将允许您看到这一点。

在这里插入图片描述

4.Advanced Configuration and Analysis（高级配置和分析）

将INS_LOG_BAT_OPT 设置为1，以启用传感器最高速率的批量采样，从而允许从InvenseSense进行500hz以上的快速IMU分析。
INS_LOG_BAT_MASK可用于仅对单个传感器进行采样。这将增加从单个传感器（例如平台上最好的传感器）检索到的样本数量，从而为分析提供更好的数据
INS_LOG_BAT_CNT指定将采集的样本数量。增加该值将产生更具代表性的问题频率概念。当除以采样率时，将给出可以检测到的最低频率，因此1024个采样在1024kHz采样时（很差）将拾取0.5Hz的频率。
将样本推送到dataflash日志之间的INS_LOG_BAT_LGIN间隔，单位为ms。增加该间隔可减少将数据刷新到dataflash日志所需的时间，从而缩短循环时间。这将以增加系统负载为代价，并可能阻塞其他消息的dataflash日志。
INS_LOG_BAT_LGCT每次INS_LOG_BAT_LGIN ms计数时要推送的样本数。增加此值可在每次将样本发送到dataflash日志时推送更多样本。增加该值可能会导致定时抖动，并可能阻塞其他消息的dataflash日志。

以下两张图来自PixRacer自动驾驶仪上的同一航班。右侧的Accel[0]是InvenseSsense IMU，显示的频率高于左侧较慢的IMU.

在这里插入图片描述

5.Log Message Contents(日志消息内容)

批量采样涉及两种类型的dataflash日志消息，即ISBH和ISBD。

ISBH是一个批标题；它包括批次号和有关批次的元数据。
ISBD消息包含批次的实际数据，并按批次号引用标题.

6.Analysis with pymavlink(pymavlink分析)

pymavlink是一个以开发人员为中心的工具，支持图形FFT数据

pbarker@bluebottle:~/rc/ardupilot(fastest-sampling)$ ~/rc/pymavlink/tools/mavfft_isb.py /tmp/000003.BIN
Processing log /tmp/000003.BIN
.Skipping ISBD outside ISBH (fftnum=0)

Skipping ISBD outside ISBH (fftnum=0)

Skipping ISBD outside ISBH (fftnum=0)

Skipping ISBD outside ISBH (fftnum=0)

Skipping ISBD outside ISBH (fftnum=0)

Skipping ISBD outside ISBH (fftnum=0)

...............................
32560s messages  48433 messages/second  1904039 kB/second
Extracted 10 fft data sets
Sensor: Gyro[0]
Sensor: Accel[0]