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.

Control de vuelo en tiempo real: calibración de sensores integrados y adquisición de datos

0 vistas08:36 min

Este procedimiento ilustrará la calibración y la integración de sensores IMU y ADS con computadoras de vuelo y demostrará el uso de la adquisición y procesamiento de datos INS y ADS integrada sin usar en una instalación de vuelo al aire libre. Se demuestra el control de vuelo de extremo a extremo para un quadrotor que opera en la instalación de prueba de vuelo con red M-Air de la Universidad de Michigan.

1. Calibración del sensor: Unidad de medición inercial (IMU)

La calibración del sensor es más eficaz cuando se realiza con el apoyo de equipos de prueba de alta calidad. Para la IMU de 3 ejes, calibrar el giroscopio de velocidad y el acelerómetro para cada eje por separado utilizando una tabla de velocidad de precisión(Figura 6). La tabla de velocidades gira con precisión a una velocidad angular definida por el usuario. El usuario emite una serie de comandos de velocidad, durante los cuales la IMU recopila los datos necesarios para la calibración del sensor. Por lo tanto, el experimento de calibración de un solo eje descrito a continuación se repite tres veces, una vez para cada eje del sensor IMU (x, y, z).

Monte la IMU en la tabla de velocidades de modo que el eje del sensor que se está calibrando se dirija radialmente hacia adentro o hacia afuera.
Mida la distancia desde el centro de la tabla hasta el centro del centro de IMU. Este es el radio de referencia para el movimiento circular.
Monte el ordenador DAQ, la IMU y la batería directamente en la tabla de tarifas y conecte todos los componentes directamente.
Configure software para recopilar datos de velocidad y aceleración de IMU.
Mientras que la tabla de velocidad es inmóvil, giroscopio de tasa de registro, y valores de sesgo acelerómetro.
Realice una serie de experimentos con diferentes tasas de rotación de tablas de tasa constante positivas y negativas. Se espera que las calibraciones del sensor sean lineales. Adquiera datos a velocidades de 0 (línea de base), 15, 30 y 60 grados/segundo. La tabla puede girar a velocidades más rápidas, pero los valores seleccionados son suficientes para cubrir las señales esperadas en las operaciones de vuelo típicas de UAV.
Recopile datos del giroscopio de velocidad y el acelerómetro que se calibran para cada valor de velocidad angular mencionado anteriormente. Cada tasa de rotación debe establecerse antes de que se recopilen los datos para garantizar que se mantenga una velocidad constante. Recopile datos de más de 10 a 15 s, suponiendo una velocidad de recopilación de datos de al menos 30 - 100 Hz, para garantizar que las perturbaciones se puedan filtrar de los valores de calibración finales.
Desconecte y retire la IMU de la tabla de velocidades y orientarla de tal modo que el acelerómetro que se está calibrando apunte hacia abajo.
Recopilar +1g datos a través del sistema informático.
Voltear la IMU de tal forma que el acelerómetro que se está calibrando apunta hacia arriba y recoger -1g datos a través del sistema informático. Estos puntos de datos adicionales son fáciles de obtener y se pueden utilizar para validar cada curva de calibración lineal obtenida a partir de datos de tabla de velocidades a 1 g. El valor 1g es particularmente importante para calibrar con precisión porque los datos del acelerómetro lineal se utilizan para determinar la dirección "abajo" en relación con el cuerpo del quadcopter.
Procesar los datos. Desarrolle curvas lineales para puntos de datos de giroscopio y acelerómetro, que relaciona n.o de tensiones adquiridas con velocidades de rotación de unidadES MKS (giroscopio) y aceleraciones lineales (acelerómetro). Confirme que el error de calibración es lo suficientemente bajo. Tenga en cuenta que la tabla de velocidades proporciona un control directo de la velocidad angular para la calibración del giroscopio. La aceleración correspondiente, a, inducida por la fuerza centrípeta del movimiento circular, se puede calcular a partir de la velocidad angular especificada y el radio r de la IMU desde el centro de la tabla de velocidades:
(9)

2. Experimentos de vuelo de Quadrotor

Para nuestra serie final de experimentos, montamos el sistema IMU y pitot en un quadrotor (mostrado en la Figura 7)y volamos en las instalaciones de vuelo con red M-Air de la Universidad de Michigan. El vehículo se estabiliza a través de un puerto del paquete de piloto automático de código abierto Ardupilot al Beaglebone Blue (sin microprocesador utilizado) y configurado antes del vuelo a través del software de la estación terrestre Mission Planner. Una interfaz transmisor/receptor de radiocontrol permite al piloto proporcionar comandos de "bucle exterior" para la altitud del rotor cuádruple, movimiento de lado a lado y dirigirse a la ley de control de vuelo "bucle interno" de Ardupilot que regula el ángulo de giro del rotor cuádruple, ángulo de inclinación, ángulo de guia ( y la altitud. [14]

Debido a que un quadrotor no requiere retroalimentación de velocidad de aire para estabilizarse, Ardupilot sólo se basa en datos IMU más un sensor de presión para la altitud, que se calibra durante la inicialización del programa en relación con la presión de altitud de despegue, para estabilizar el vuelo dado entradas piloto. Una extensión totalmente autónoma de Ardupilot requiere datos de posición inercial del GPS u otro sistema de detección (por ejemplo, captura de movimiento de alta velocidad). Debido a que nuestros experimentos se realizaron con quadrotors en entornos restringidos, el sistema de datos de aire pitot no es necesario. Sin embargo, los sistemas pitot son esenciales para aviones de ala fija y multicóptero que intentan rutas de vuelo precisas siguiendo entornos ventosos inciertos. [15, 16] El procedimiento de prueba de vuelo se divide en tres fases: pre-vuelo, prueba de vuelo y post-vuelo. Esta subdivisión es similar a los procedimientos seguidos por los pilotos de aeronaves tripuladas mediante el uso de listas de verificación de cabina bien establecidas. [17]

Pre-vuelo

Cargue las baterías y pruébelas antes de la instalación.
Establecer un entorno de prueba claro (interior o exterior) y marcar el área para asegurar que las personas no involucradas permanezcan claras.
Asegúrese de que el equipo de pruebas de vuelo esté informado y calificado (entrenado) para realizar la prueba planificada.
Si vuela al aire libre, asegúrese de que la aeronave y el piloto estén registrados y certificados según las regulaciones de la FAA. Se requiere un mínimo de tres personas para una prueba al aire libre: un piloto al mando (PIC), un observador visual (VO) y un operador de estación de tierra. Para nuestras pruebas, el quadrotor volará en una instalación con redes al aire libre. Dos operadores de atela se asegurarán de que el vehículo no pueda volar para las pruebas en interiores. Tenga en cuenta que no se aplican regulaciones específicas de la FAA a las pruebas de vuelo con red, ya que el UAV no ocupa un espacio abierto al aire libre.
Encienda el ordenador de vuelo y el ordenador portátil de la estación de tierra.
Recopile datos preliminares para asegurarse de que los sensores funcionan correctamente. El piloto y el equipo de soporte deben garantizar una comprensión clara del plan de vuelo y que los procedimientos de anulación/recuperación estén en su lugar.

Prueba de vuelo

Inicie la adquisición de datos en la estación terrestre.
Confirme que el área de vuelo está despejada/segura.
Propulsores/motores de brazo.
Inicie la secuencia de prueba de vuelo.
Realizar la prueba de vuelo, con el piloto llamando a cada paso, incluyendo como mínimo:
despegue (lanzamiento), cambios en el modo de vuelo, objetivos o maniobras conocidos de waypoint, y aterrizaje. Asegúrese de que todo el personal esté en la tarea y ejecute los procedimientos de emergencia (terminación de vuelo) según sea necesario. Los waypoints y trayectorias son específicos de cada vuelo. Para el experimento de rotor, seguimos patrones cruzados y rectangulares moderadamente agresivos a una altitud y rumbo constantes, seguidos de una subida/descenso y luego una secuencia de guiñada. Las velocidades angulares y las aceleraciones lineales en este vuelo se identifican fácilmente en los datos, y confirman que la IMU y el controlador de vuelo funcionan correctamente.

Post-vuelo

Desarma los motores para asegurar que no se encenderán accidentalmente.
Guarde y descargue los datos de vuelo en el almacenamiento de archivos.
Registre el vuelo en palabras por la retroalimentación del piloto, el VO y el operador de la estación terrestre.
Compruebe las baterías y cártelas según sea necesario.
Recuperar el equipo y limpiar el área para el siguiente ocupante.