What four forces must be balanced for a fixed-wing aircraft to achieve steady flight?

A fixed-wing aircraft balances four forces: aerodynamic lift, aerodynamic drag, propulsion system thrust, and weight. These forces must be in equilibrium for the aircraft to maintain steady flight. Additionally, the aircraft must balance moments about the roll, pitch, and yaw axes to achieve stable flight and respond to disturbances like wind gusts.

What are the three main components of an inertial measurement unit?

An inertial measurement unit (IMU) typically contains three sensor types: accelerometers to measure linear acceleration, rate gyroscopes to measure angular velocity, and magnetic field sensors to measure the direction and strength of the local magnetic field. The IMU is often coupled with a GPS system and mounted near the aircraft center of gravity with sensor axes aligned to the aircraft body.

How does a precision rate table calibrate a rate gyroscope?

A precision rate table rotates at user-defined velocities following rate commands, enabling determination of the relationship between voltage readout and angular velocity. By testing the IMU at different positive and negative constant rotation rates with zero as baseline, a linear fit to the data allows calculation of speed from gyro voltage, establishing the gyroscope's calibration curve.

Why is signal filtering applied to flight control sensor data?

Signal filtering reduces the impact of noise and outliers on processed data quality. Moving average and median filters are applied to each data channel to attenuate high-frequency signal noise. However, filtering introduces a time delay in the processed data, which must be considered when designing real-time flight control systems.

What measurements does a flight control system acquire to stabilize an aircraft?

A flight control system acquires measurements of current altitude, roll, pitch, and yaw angles, as well as airspeed. Once sensor data is collected, it is filtered to reduce noise, then aggregated into a full estimate of aircraft state. This state estimate is used to issue motor and control surface commands updated in real-time to maintain stable flight.

What safety procedures are required before conducting a quadrotor flight test?

Before flight testing, charge all batteries and test components prior to installation. Ensure at least three people—the pilot in command, visual observer, and ground station operator—are briefed on the flight plan. Start data acquisition on the ground station, confirm the flight area is clear, and arm the motors only after all safety checks are complete.

How does accelerometer orientation affect IMU calibration?

During calibration, the accelerometer must be oriented in different directions to measure gravitational acceleration. The IMU is positioned upward to collect -1 G data, then flipped downward to collect +1 G data. This procedure is repeated for each axis (x, y, and z) to fully calibrate the accelerometer's response to gravitational forces along all directions.

Echtzeit-Flugsteuerung: Eingebettete Sensorkalibrierung und Datenerfassung

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Dieses Verfahren veranschaulicht die ImU- und ADS-Sensorkalibrierung und -integration mit Flugcomputern und demonstriert den Einsatz integrierter INS- und ADS-Datenerfassung und -verarbeitung in einer Außenfluganlage. Die End-to-End-Flugsteuerung für einen Quadrotor, der in der M-Air-Netztestanlage der University of Michigan betrieben wird, wird demonstriert.

1. Sensorkalibrierung: Trägidenmesseinheit (IMU)

Die Sensorkalibrierung ist am effektivsten, wenn sie mit Unterstützung von hochwertigen Prüfgeräten durchgeführt wird. Kalibrieren Sie für den 3-Achsen-IMU den Kurskreisel und den Beschleunigungsmesser für jede Achse separat mithilfe einer Genauigkeitstabelle(Abbildung 6). Die Rate-Tabelle dreht sich präzise mit einer benutzerdefinierten Winkelgeschwindigkeit. Der Benutzer gibt eine Reihe von Rate-Befehlen aus, bei denen die IMU die für die Sensorkalibrierung erforderlichen Daten sammelt. Das unten beschriebene Einachskalibrierungsexperiment wird daher dreimal wiederholt, einmal für jede IMU-Sensorachse (x, y, z).

Montieren Sie die IMU so auf dem Rate-Tisch, dass die zu kalibrierende Sensorachse radial nach innen oder außen gerichtet ist.
Messen Sie den Abstand vom Tabellenmittelpunkt zum Mittelpunkt des IMU-Centers. Dies ist der Referenzradius für kreisförmige Bewegungen.
Montieren Sie den Datenerfassungscomputer, die IMU und den Akku direkt an der Tariftabelle, und verbinden Sie alle Komponenten direkt.
Richten Sie eine Software ein, um IMU-Rate- und Beschleunigungsdaten zu erfassen.
Während die Rate-Tabelle bewegungslos ist, zeichnen sich die Werte für die Aufzeichnungsrate und die Beschleunigungsrate-Bias-Werte aus.
Führen Sie eine Reihe von Experimenten mit unterschiedlichen positiven und negativen konstanten Raten-Tabellenrotationsraten durch. Es wird erwartet, dass die Sensorkalibrierungen linear sind. Erfassen Sie Daten mit Raten von 0 (Baseline), 15, 30 und 60 Grad/Sekunde. Die Tabelle kann schneller drehen, aber die ausgewählten Werte reichen aus, um Signale abzudecken, die im typischen UAV-Flugbetrieb erwartet werden.
Sammeln Sie Daten aus dem Rategyro und Beschleunigungsmesser, der für jeden oben aufgeführten Winkelgeschwindigkeitswert kalibriert wird. Jede Rotationsrate sollte festgelegt werden, bevor Daten erhoben werden, um sicherzustellen, dass eine konstante Rate beibehalten wird. Sammeln Sie Daten über 10 - 15 s, wobei eine Datenerfassungsrate von mindestens 30 - 100 Hz angenommen wird, um sicherzustellen, dass Störungen aus den endgültigen Kalibrierwerten herausgefiltert werden können.
Trennen Sie die IMU aus der Rate-Tabelle, und entfernen Sie sie so, dass der kalibrierte Beschleunigungsmesser nach unten zeigt.
Sammeln Sie +1g Daten über das Computersystem.
Drehen Sie die IMU so, dass der akkumulierte Beschleunigungsmesser nach oben zeigt und -1g Daten über das Computersystem sammelt. Diese zusätzlichen Datenpunkte sind einfach zu erhalten und können verwendet werden, um jede lineare Kalibrierkurve zu validieren, die aus Ratentabellendaten von 1 g erhalten wird. Der 1g-Wert ist besonders wichtig, um genau zu kalibrieren, da lineare Beschleunigungsmesserdaten verwendet werden, um die Richtung "nach unten" relativ zum Quadcopter-Körper zu bestimmen.
Verarbeiten Sie die Daten. Entwickeln Sie lineare Kurvenanpassungen für Gyro- und Beschleunigungsmesser-Datenpunkte, die erfasste Spannungen mit MKS-Einheitenrotationsraten (Gyro) und linearen Beschleunigungen (Beschleunigungsmesser) in Beziehung stehen. Vergewissern Sie sich, dass der Kalibrierungsfehler ausreichend niedrig ist. Beachten Sie, dass die Rate-Tabelle eine direkte Steuerung der Winkelgeschwindigkeit für die Kreiselkalibrierung bietet. Die entsprechende Beschleunigung, a, induziert durch die Zentripetalkraft der kreisförmigen Bewegung, kann aus der angegebenen Winkelgeschwindigkeit und dem Radius r des IMU aus dem Ratentabellenzentrum berechnet werden:
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2. Quadrotor-Flugexperimente

Für unsere letzte Versuchsreihe montieren wir das IMU- und Pitot-System auf einem Quadrotor (siehe Abbildung 7) und fliegen in der M-Air-Netzfluganlage der University of Michigan. Das Fahrzeug wird durch einen Port des Ardupilot Open Source Autopilot-Pakets zum Beaglebone Blue (kein Mikroprozessor verwendet) stabilisiert und vor dem Flug durch die Mission Planner Bodenstationssoftware konfiguriert. Eine Funksteuerungs-Sender/Empfänger-Schnittstelle ermöglicht es dem Piloten, "äußere Schleife"-Befehle für Quadrotor-Höhe, Seiten-zu-Seite-Bewegung und Überschrift zu Ardupilots "innere Schleife" Flugsteuerungsgesetz zur Regelung quadrotor Rollwinkel, Steigungswinkel, Gähnwinkel ( Überschrift) und Höhe. [14]

Da ein Quadrotor keine Fluggeschwindigkeitsrückmeldung benötigt, um sich zu stabilisieren, stützt sich Ardupilot nur auf IMU-Daten sowie einen Drucksensor für die Höhe, der während der Programminitialisierung relativ zum Starthöhendruck kalibriert wird, um den Flug zu stabilisieren, der gegeben ist. Piloteingänge. Eine vollständig autonome Erweiterung von Ardupilot erfordert Trägzpositionsdaten von GPS oder einem anderen Sensorsystem (z. B. Hochgeschwindigkeits-Bewegungserfassung). Da unsere Experimente mit Quadrotoren in eingeschränkten Umgebungen durchgeführt wurden, ist das Pitot-Luftdatensystem nicht notwendig. Pitot-Systeme sind jedoch unerlässlich für Festflügelflugzeuge und Multikopter, die nach unsicheren windigen Umgebungen präzise Flugrouten versuchen. [15, 16] Das Flugtestverfahren gliedert sich in drei Phasen: Pre-Flight, Flight Test und Post-Flight. Diese Unterteilung ähnelt den Verfahren, die von Piloten bemannter Flugzeuge durch die Verwendung gut etablierter Cockpit-Checklisten befolgt werden. [17]

Pre-Flight

Laden Sie Batterien auf und testen Sie sie vor der Installation.
Richten Sie eine klare Testumgebung (innen oder außen) ein und markieren Sie den Bereich, um sicherzustellen, dass unbeteiligte Personen frei bleiben.
Stellen Sie sicher, dass das Flugtestteam für die Durchführung des geplanten Tests informiert und qualifiziert (trainiert) ist.
Wenn Sie im Freien fliegen, stellen Sie sicher, dass das Flugzeug und der Pilot gemäß den FAA-Vorschriften registriert und zertifiziert sind. Für einen Open-Air-Test sind mindestens drei Personen erforderlich: Ein Pilot im Kommando (PIC), ein visueller Beobachter (VO) und ein Bodenstationsbetreiber. Für unsere Tests fliegt der Quadrotor in einer Netzanlage im Freien. Zwei Tether-Betreiber werden sicherstellen, dass das Fahrzeug nicht für Innentests wegfliegen kann. Beachten Sie, dass für Netzflugtests keine spezifischen FAA-Vorschriften gelten, da das UAV keinen offenen Außenbereich belegt.
Schalten Sie flugcomputer und Laptop der Bodenstation ein.
Sammeln Sie vorläufige Daten, um sicherzustellen, dass die Sensoren ordnungsgemäß funktionieren. Das Piloten- und Supportteam muss für ein klares Verständnis des Flugplans sorgen und sicherstellen, dass Abbruch-/Wiederherstellungsverfahren vorhanden sind.

Flugtest

Starten Sie die Datenerfassung auf der Bodenstation.
Bestätigen Sie, dass der Flugbereich klar/sicher ist.
Armstrahlruder/Motoren.
Initiieren Sie die Flugtestsequenz.
Führen Sie den Flugtest durch, wobei der Pilot jeden Schritt ausruft, einschließlich als Minimum:
Start (Start), Flugmodusänderungen, bekannte Wegpunktziele oder Manöver und Landung. Stellen Sie sicher, dass alle Mitarbeiter im Einsatz sind und Notfallverfahren (Flugbeendigung) nach Bedarf ausführen. Wegpunkte und Flugbahnen sind für jeden Flug spezifisch. Für das Quadrotor-Experiment folgen wir mäßig aggressiven Kreuz- und rechteckigen Mustern in konstanter Höhe und Richtung, gefolgt von einem Aufstieg/Abstieg, dann einer Gähnsequenz. Die Winkelraten und linearen Beschleunigungen in diesem Flug sind in den Daten leicht zu erkennen und bestätigen, dass IMU und Flugcontroller ordnungsgemäß funktionieren.

Nach dem Flug

Entwaffnen Sie Motoren, um sicherzustellen, dass sie nicht versehentlich einschalten.
Speichern und herunterladen Sie Flugdaten in die Archivierung.
Protokollieren Sie den Flug in Worten nach rückmeldungm Piloten, VO und Bodenstationsbetreiber.
Überprüfen Sie die Batterien und laden Sie nach Bedarf auf.
Stellen Sie Ausrüstung wieder her, und reinigen Sie den Bereich für den nächsten Insassen.