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.

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

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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).

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.
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.
Montez l'ordinateur DAQ, l'IMU et la batterie directement à la table tarifaire, et connectez tous les composants directement.
Configurez un logiciel pour collecter des données de taux et d'accélération iMU.
Tandis que le tableau de taux est immobile, le gyro de taux d'enregistrement, et les valeurs de biais d'accéléromètre.
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.
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.
Déconnectez et retirez l'IMU du tableau tarifaire et orientez-le de telle sorte que l'accéléromètre calibré indique vers le bas.
Recueillir des données de 1 g par l'intermédiaire du système informatique.
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.
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:
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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

Chargez les piles et testez-les avant l'installation.
Établissez un environnement d'essai clair (intérieur ou extérieur) et marquez la zone pour s'assurer que les personnes non impliquées restent claires.
Assurez-vous que l'équipe d'essais en vol est informée et qualifiée (formée) pour effectuer le test prévu.
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.
Allumez l'ordinateur de vol et l'ordinateur portable de station au sol.
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

Démarrer l'acquisition de données sur la station au sol.
Confirmer que la zone de vol est claire/sûre.
Propulseurs/moteurs de bras.
Démarrer la séquence d'essais en vol.
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

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