8.14: Contrôle de vol en temps réel : Étalonnage de capteurs embarqués et acquisition de données

Cette procédure illustrera l'étalonnage et l'intégration des capteurs IMU et ADS avec les ordinateurs de vol et démontrera l'utilisation de l'acquisition et du traitement intégrés des données INS et ADS dans une installation de vol en plein air. La commande de vol de bout en bout d'un quadrotor opérant dans l'installation d'essais en vol m-air de l'Université du Michigan est démontrée.

1. Calibrage du capteur : Unité de mesure inertielle (IMU)

L'étalonnage des capteurs est plus efficace lorsqu'il est effectué avec le soutien d'un équipement d'essai de haute qualité. Pour l'IMU à 3 axes, étalonner le gyromètre à taux et l'accéléromètre pour chaque axe séparément à l'aide d'un tableau de taux de précision (Figure 6). Le tableau de taux tourne précisément à une vitesse angulaire définie par l'utilisateur. L'utilisateur émet une série de commandes tarifaires, au cours desquelles l'UMI recueille les données nécessaires à l'étalonnage des capteurs. L'expérience d'étalonnage à axe unique décrite ci-dessous est donc répétée trois fois, une fois pour chaque axe de capteur IMU (x, y, z).

1. Montez l'IMU sur la table de vitesse de sorte que l'axe du capteur en cours d'étalonnage est dirigé radialement vers l'intérieur ou vers l'extérieur.
2. Mesurez la distance entre le centre de la table et le centre de l'UMI. C'est le rayon de référence pour le mouvement circulaire.
3. Montez l'ordinateur DAQ, l'IMU et la batterie directement à la table tarifaire, et connectez tous les composants directement.
4. Configurez un logiciel pour collecter des données de taux et d'accélération iMU.
5. Tandis que le tableau de taux est immobile, le gyro de taux d'enregistrement, et les valeurs de biais d'accéléromètre.
6. Mener une série d'expériences avec différents taux de rotation des tables à taux constants positifs et négatifs. On s'attend à ce que les étalonnages des capteurs soient linéaires. Acquérir des données à des taux de 0 (ligne de base), de 15, 30 et de 60 degrés/seconde. La table peut tourner à des vitesses plus rapides, mais les valeurs sélectionnées sont suffisantes pour couvrir les signaux attendus dans les opérations de vol typiques des uAV.
7. Recueillir les données du gyromètre à taux et de l'accéléromètre calibré pour chaque valeur de vitesse angulaire énumérée ci-dessus. Chaque taux de rotation doit être établi avant que les données ne soient recueillies afin de s'assurer qu'un taux constant est maintenu. Recueillir des données sur 10 - 15 s, en supposant un taux de collecte de données d'au moins 30 - 100 Hz, pour s'assurer que les perturbations peuvent être filtrées à partir des valeurs d'étalonnage final.
8. Déconnectez et retirez l'IMU du tableau tarifaire et orientez-le de telle sorte que l'accéléromètre calibré indique vers le bas.
9. Recueillir des données de 1 g par l'intermédiaire du système informatique.
10. Retournez l'IMU de telle sorte que l'accéléromètre en cours de calibré points et de recueillir des données -1g à travers le système informatique. Ces points de données supplémentaires sont simples à obtenir et peuvent être utilisés pour valider chaque courbe d'étalonnage linéaire obtenue à partir de données de table de taux à 1g.  La valeur de 1 g est particulièrement importante pour calibrer avec précision parce que les données linéaires d'accéléromètre sont employées pour déterminer la direction « vers le bas » par rapport au corps de quadcopter.
11. Traiter les données. Développer des ajustements linéaires de courbe pour les points de données de gyro et d'accéléromètre, qui reliedes les tensions acquises aux taux de rotation unitairede de MKS (gyro) et aux accélérations linéaires (accéléromètre). Confirmez que l'erreur d'étalonnage est suffisamment faible. Notez que le tableau de taux fournit un contrôle direct de la vitesse angulaire pour l'étalonnage gyrosco-gyro. L'accélération correspondante, a, induite par la force centripète du mouvement circulaire, peut être calculer à partir de la vitesse angulaire spécifiée et le rayon r de l'IMU à partir du centre de table de taux:
    (9)

2. Expériences de vol Quadrotor

Pour notre dernière série d'expériences, nous montons le système IMU et pitot sur un quadrotor (montré dans la figure 7) et volons dans l'installation de vol M-Air de l'Université du Michigan. Le véhicule est stabilisé par un port du paquet de pilote automatique open source Ardupilot jusqu'au Beaglebone Blue (aucun microprocesseur utilisé) et configuré avant le vol par le logiciel de station au sol Mission Planner. Une interface émetteur/récepteur de commande radio permet au pilote de fournir des commandes de « boucle extérieure » pour l'altitude du quadrotor, le mouvement d'un côté à l'autre et la loi sur les commandes de vol « boucle intérieure » d'Ardupilot réglant l'angle de roulis du quadrotor, l'angle de tangage, l'angle de lacet ( en tête), et l'altitude. [14]

Étant donné qu'un quadrotor n'a pas besoin de rétroaction de la vitesse pour se stabiliser, Ardupilot ne s'appuie que sur les données de l'IMU ainsi que sur un capteur de pression pour l'altitude, qui est calibré pendant l'initialisation du programme par rapport à la pression d'altitude au décollage, pour stabiliser le vol donné les entrées pilotes. Une extension entièrement autonome d'Ardupilot nécessite des données de position inertielle à partir du GPS ou d'un autre système de détection (p. ex., capture de mouvement à grande vitesse). Étant donné que nos expériences ont été réalisées avec des quadrotors dans des environnements contraints, le système de données atmosphériques pitot n'est pas nécessaire.  Cependant, les systèmes pitot sont essentiels pour les aéronefs à voilure fixe et les multicopters qui tentent des trajectoires de vol précises suivant des environnements venteux incertains. [15, 16] La procédure d'essai en vol est divisée en trois phases : avant le vol, l'essai en vol et après le vol. Cette subdivision est semblable aux procédures suivies par les pilotes d'aéronefs habités grâce à l'utilisation de listes de vérifications bien établies dans le poste de pilotage. [17]

Pré-vol

1. Chargez les piles et testez-les avant l'installation.
2. Établissez un environnement d'essai clair (intérieur ou extérieur) et marquez la zone pour s'assurer que les personnes non impliquées restent claires.
3. Assurez-vous que l'équipe d'essais en vol est informée et qualifiée (formée) pour effectuer le test prévu.
4. Si vous volez à l'extérieur, assurez-vous que l'aéronef et le pilote sont immatriculés et certifiés selon les règlements de la FAA. Un minimum de trois personnes est requis pour un essai en plein air : un pilote commandant de bord (PIC), un observateur visuel (VO) et un opérateur de station au sol. Pour nos essais, le quadrotor volera dans une installation nette à l'extérieur. Deux opérateurs d'attache assureront que le véhicule ne peut pas s'envoler pour des essais à l'intérieur. Notez qu'aucun règlement spécifique de la FAA ne s'applique aux essais en vol filetés puisque l'UAV n'occupe pas un espace extérieur ouvert.
5. Allumez l'ordinateur de vol et l'ordinateur portable de station au sol.
6. Recueillir des données préliminaires pour s'assurer que les capteurs fonctionnent correctement. Le pilote et l'équipe de soutien doivent s'assurer d'une compréhension claire du plan de vol et de la mettre en place des procédures d'interruption et de récupération.

Essai en vol

6. Démarrer l'acquisition de données sur la station au sol.
7. Confirmer que la zone de vol est claire/sûre.
8. Propulseurs/moteurs de bras.
9. Démarrer la séquence d'essais en vol.
10. Effectuer l'essai en vol, le pilote appelant chaque étape, y compris au minimum :
    décollage (lancement), changements de mode de vol, cibles ou manœuvres connues, et atterrissage.  Assurez-vous que tout le personnel est sur la tâche et exécutez les procédures d'urgence (arrêt de vol) au besoin. Les points de passage et les trajectoires sont spécifiques à chaque vol. Pour l'expérience quadrotor, nous suivons des motifs de croisement et rectangulairemodérés modérément agressifs à une altitude et un cap constants, suivis d'une montée/descente puis d'une séquence de lacet. Les taux angulaires et les accélérations linéaires dans ce vol sont facilement identifiés dans les données, et ils confirment que l'IMU et le contrôleur de vol fonctionnent correctement.

Après le vol

11. Désarmer les moteurs pour s'assurer qu'ils ne s'allument pas accidentellement.
12. Enregistrer et télécharger les données de vol dans le stockage d'archives.
13. Enregistrez le vol en mots par le pilote, la VO et les commentaires des exploitants de stations au sol.
14. Vérifiez les piles et chargez au besoin.
15. Récupérer l'équipement et nettoyer la zone pour le prochain occupant.

Un avion à voilure fixe effectue un vol stable en équilibrant quatre forces : la portance aérodynamique, la traînée aérodynamique, la poussée du système de propulsion et le poids. Pour obtenir un vol stable, il doit également équilibrer les moments autour des trois axes, le roulis, le tangage et l’axe de lacet. Toutes les rotations sont définies comme des angles autour de ces axes, les changements dans l’axe de roulis provoquant un mouvement latéral, les changements dans l’axe de tangage provoquant un mouvement d’inclinaison vers l’avant et vers l’arrière et les changements dans l’axe de lacet provoquant des changements de cap.

Afin de stabiliser l’avion face à tout changement soudain comme des rafales de vent, un système de commandes de vol émet des commandes du moteur et de la surface de contrôle qui doivent être mises à jour en temps réel. Ainsi, le système de contrôle utilise divers capteurs pour maintenir une mesure précise de l’altitude actuelle, c’est-à-dire les angles de roulis, de tangage et de lacet, ainsi que la vitesse de l’air. Une fois les données acquises à partir des capteurs, les signaux sont filtrés pour réduire l’impact du bruit et des valeurs aberrantes sur la qualité des données traitées. Les données sont ensuite agrégées en une estimation complète de l’état de l’avion et utilisées pour le contrôle de vol.

Les avions à voilure fixe et les multicoptères s’appuient sur ce système de contrôle pour surveiller et contrôler l’altitude de l’avion. Les deux utilisent également un balayage de capteur connu sous le nom d’unité de mesure inertielle ou IMU.

Une IMU se compose généralement de trois types de capteurs : des accéléromètres pour mesurer l’accélération linéaire, des gyroscopes de vitesse pour mesurer la vitesse angulaire et des capteurs de champ magnétique pour mesurer la direction et l’intensité du champ magnétique local. Une IMU est souvent couplée à un système GPS et montée près du centre de gravité de l’avion, l’axe du capteur étant aligné avec l’axe du corps de l’avion.

Dans cet atelier, nous allons démontrer l’étalonnage d’une IMU simple à l’aide d’un tableau de taux de précision. Nous monterons ensuite l’IMU calibrée sur un multicoptère et effectuerons un test en vol pour afficher en temps réel et filtrer les données.

Dans la première partie de l’expérience, nous étalonnerons l’IMU qui contient un gyroscope de vitesse et un accéléromètre pour chaque axe à l’aide d’une table de taux de précision. La table de taux pivote avec précision à une vitesse définie par l’utilisateur en suivant une série de commandes de taux. Cela nous permet de déterminer la relation entre la lecture de la tension et la vitesse.

Pour commencer, montez l’IMU sur la table des taux à l’aide de vis et orientez-la de telle sorte que l’axe du capteur étant étalonné, dans ce cas l’axe X, soit directement radialement vers l’intérieur ou vers l’extérieur. Mesurez la distance entre le centre de la table et le centre de l’IMU et utilisez cette mesure comme rayon de référence pour le mouvement circulaire. L’IMU est montée sur une carte d’acquisition de données. Connectez directement les composants.

Maintenant, configurez le logiciel pour collecter les données de taux et d’accélération de l’IMU. Effectuez une série d’expériences avec différents taux de rotation positifs et négatifs de la table à taux constants, le zéro étant utilisé comme mesure de référence. Pendant que le tableau des vitesses est immobile, enregistrez le gyroscope et l’accéléromètre en fonction des valeurs S. Ensuite, lancez le test et collectez les données.

Une fois que toutes les vitesses angulaires ont été testées pour cette orientation, détachez l’IMU et repositionnez-la de manière à ce que l’accéléromètre soit orienté vers le haut. Rattachez-le, puis lancez le test pour collecter les données -1 G. Après cela, retournez l’IMU de sorte que l’accéléromètre soit orienté vers le bas et collectez des données +1 G.

Lorsque vous avez terminé l’étalonnage de l’axe x, repositionnez l’IMU de manière à ce que le capteur de l’axe z soit orientalement radialement vers l’extérieur et répétez tous les tests, en n’oubliant pas de positionner l’IMU vers le haut et vers le bas pour calibrer l’accéléromètre. Effectuez la même procédure pour le capteur de l’axe Y.

Dans la prochaine partie de l’expérience, nous monterons l’IMU sur le quadrirotor et la ferons voler à l’intérieur d’une installation de vol en filet. Une interface émetteur-récepteur à commande radiale permet au pilote de fournir des commandes pour l’altitude, le cap, l’angle de roulis, l’angle de tangage et l’angle de lacet.

Avant de commencer, chargez toutes les batteries et testez les composants avant l’installation sur le quadrirotor. Préparez ensuite le vol en vous assurant qu’au moins trois personnes, le pilote aux commandes, l’observateur visuel et l’opérateur de la station au sol sont tous informés des plans de vol. Amenez le quadrirotor dans l’installation de vol en filet et placez-le sur une planche d’atterrissage plate.

L’essai en vol commence par le décollage depuis l’origine jusqu’à une altitude de 1,5 m. Ensuite, nous exécuterons un modèle de vol carré de deux mètres avec une vitesse de référence de 0,5 m/s. Le quadrirotor s’arrête avant chaque changement de position. Ensuite, nous exécuterons des segments de traversées à plus grande vitesse à 0,5, 1 et 1,5 m/s pour démontrer comment la vitesse affecte le dépassement.

Pour commencer l’essai en vol, lancez l’acquisition des données sur la station au sol. Après avoir vérifié que la zone de vol est dégagée, armez les moteurs. Maintenant, lancez la séquence d’essai en vol avec le pilote qui annonce chaque étape avant de l’exécuter en commençant par le décollage. Assurez-vous d’annoncer tous les changements de mode de vol, les cibles de waypoint connues ou les manœuvres.

Une fois le plan de vol exécuté, alertez le reste de l’équipe de vol de la descente finale et de l’atterrissage du quadricoptère. Ensuite, désarmez les moteurs du quadricoptère. Enregistrez et téléchargez toutes les données de vol et enregistrez le vol dans le carnet de vol. Enfin, récupérez tout l’équipement et dégagez la zone pour le prochain utilisateur.

Interprétons maintenant les résultats. En commençant par les données d’étalonnage de l’IMU, nous montrons d’abord un graphique de la vitesse de rotation de la table de vitesse en fonction de la tension gyroscopique. Notez que le tableau des taux fournit un contrôle direct de la vitesse angulaire pour l’étalonnage du gyroscope. Un ajustement linéaire aux données permet de calculer la vitesse à partir de la tension gyroscopique. Dans ce cas, le gyroscope émet une vitesse nominale nulle de 2,38 volts.

Enfin, regardons les données de vol. Ici, nous montrons un ensemble de données d’accélération latérale de 30 secondes pour le quadrirotor à l’aide de notre IMU calibrée. Ce graphique montre les mesures d’accélération brutes et filtrées de l’IMU en fonction du temps. Les données ont été filtrées afin d’éliminer le bruit de la mesure. Vous pouvez voir que les données de bruit brutes sont atténuées. Cependant, un délai est présent dans les données filtrées.

En résumé, nous avons appris comment les systèmes de contrôle des aéronefs utilisent divers capteurs pour mesurer l’altitude actuelle et la vitesse en vol. Nous avons ensuite calibré un gyroscope de vitesse et un accéléromètre et les avons montés sur un quadrirotor avant d’effectuer des expériences en vol.