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.

בקרת טיסה בזמן אמת: כיול חיישנים משובצים ורכישת נתונים

0 צפיות08:36 דק'

הליך זה ימחיש כיול ואינטגרציה של חיישני IMU ו- ADS עם מחשבי טיסה וידגים את השימוש ברכישת ועיבוד נתוני INS ו- ADS משולבים באמצעות מתקן טיסה חיצוני. בקרת טיסה מקצה לקצה עבור מרובע הפועל במתקן מבחן הטיסה M-Air של אוניברסיטת מישיגן מוצגת.

1. כיול חיישנים: יחידת מדידה אינרציאלית (IMU)

כיול חיישנים הוא היעיל ביותר כאשר הוא מבוצע עם תמיכה מציוד בדיקה באיכות גבוהה. עבור ה- IMU בעל 3 הצירים, כייל את ג'ירו הקצב ומד התאוצה עבור כל ציר בנפרד באמצעות טבלת קצב מדויקת (איור 6). טבלת הקצב מסתובבת במדויק במהירות זוויתית המוגדרת על-ידי המשתמש. המשתמש מנפיק סדרה של פקודות קצב, שבמהלכה ה- IMU אוסף את הנתונים הדרושים לכיול חיישנים. ניסוי הכיול בעל הציר הבודד המתואר להלן חוזר על עצמו שלוש פעמים, פעם אחת עבור כל ציר חיישן IMU (x, y, z).

הר את ה- IMU על טבלת הקצב כך ציר החיישן המכויל מכוון באופן רדיאלי פנימה או כלפי חוץ.
מדוד את המרחק ממרכז הטבלה למרכז מרכז IMU. זהו רדיוס הייחוס לתנועה מעגלית.
טען את מחשב DAQ, IMU והסוללה ישירות לטבלת התעריפים וחבר את כל הרכיבים ישירות.
הגדר תוכנה לאיסוף נתוני קצב IMU ותאוצה.
בעוד שטבלת התעריפים היא ללא תנועה, ערכי הג'ירו של קצב הרשומות והטיית מד התאוצה.
ערוך סדרה של ניסויים עם שיעורי סיבוב קבועים חיוביים ושליליים שונים. כיול החיישנים צפוי להיות ליניארי. השג נתונים בשיעורים של 0 (בסיסי), ±15, ±30 ו- ±60 מעלות לשנייה. הטבלה יכולה להסתובב בקצבים מהירים יותר, אך הערכים שנבחרו מספיקים כדי לכסות אותות הצפויים בפעולות טיסה טיפוסיות של מל"ט.
אסוף נתונים מהקצב של ג'ירו ומד תאוצה המכוילים עבור כל ערך מהירות זוויתית המפורט לעיל. יש לקבוע כל קצב סיבוב לפני איסוף הנתונים כדי להבטיח שמירה על קצב קבוע. אסוף נתונים מעל 10 - 15 s, בהנחה שקצב איסוף נתונים של לפחות 30 - 100 הרץ, כדי להבטיח שניתן יהיה לסנן הפרעות מתוך ערכי כיול סופיים.
נתק והסר את ה- IMU מטבלת התעריפים וכוון אותו כך שמטר התאוצה מכויל מצביע כלפי מטה.
לאסוף +1g נתונים באמצעות מערכת המחשב.
הפוך את ה- IMU כך שמטר התאוצה מכויל מצביע למעלה ואוסף נתוני -1g דרך מערכת המחשב. נקודות נתונים נוספות אלה הן פשוטות להשגה וניתן להשתמש בהן כדי לאמת כל עקומת כיול ליניארי המתקבלת מנתוני טבלת קצב ב- ±1g. ערך 1g חשוב במיוחד לכיול מדויק מכיוון שנעשה שימוש בנתוני מד תאוצה ליניארי כדי לקבוע את הכיוון "למטה" ביחס לגוף המרובע.
עבד את הנתונים. פיתוח עקומה ליניארית מתאימה לנקודות נתונים של ג'ירו ומד תאוצה, המקשרות מתחים נרכשים לשיעורי סיבוב יחידת MKS (ג'ירו) ותאוצות ליניאריות (מד תאוצה). ודא ששגיאת הכיול נמוכה מספיק. שים לב שטבלת הקצב מספקת שליטה ישירה על המהירות הזוויתית לכיול הג'ירו. התאוצה המתאימה, a, המושרה על ידי הכוח הצנטריפטאלי של תנועה מעגלית, ניתן לחשב מן המהירות הזוויתית שצוינה ω ואת r הרדיוס של IMU ממרכז טבלת הקצב:
(9)

2. ניסויי טיסה מרובעים

לסדרת הניסויים האחרונה שלנו, אנו מרכיבים את מערכת ה- IMU והפיתות על מרובע (מוצג באיור 7) וטסים במתקן הטיסה M-Air של אוניברסיטת מישיגן. הרכב מיוצב דרך יציאה של חבילת הטייס האוטומטי בקוד פתוח Ardupilot אל כחול Beaglebone (לא נעשה שימוש מיקרו מעבד) ומוגדר לפני הטיסה באמצעות תוכנת תחנת הקרקע Mission Planner. ממשק משדר בקרת רדיו/מקלט מאפשר לטייס לספק פקודות "לולאה חוץית" לגובה מרובע, תנועה מצד לצד וכיוון לחוק בקרת הטיסה "הלולאה הפנימית" של ארדופילוט המסדיר זווית גליל מרובע, זווית גובה, זווית יוטה (כותרת) וגובה. [14]

מכיוון שמרובעייה אינה דורשת משוב במהירות אוויר כדי לייצב, Ardupilot מסתמכת רק על נתוני IMU בתוספת חיישן לחץ לגובה, המכויל במהלך אתחול התוכנית ביחס ללחץ גובה ההמראה, כדי לייצב את הטיסה בהינתן תשומות טייס. הרחבה אוטונומית מלאה של Ardupilot דורשת נתוני מיקום אינרציאלי מ- GPS או ממערכת חישה אחרת (למשל, לכידת תנועה במהירות גבוהה). מכיוון שהניסויים שלנו בוצעו עם מרובעים בסביבות מוגבלות, אין צורך במערכת נתוני האוויר של פיטו. עם זאת, מערכות פיטו חיוניות למטוסים בעלי כנף קבועה ולרב-תכליתי המנסים נתיבי טיסה מדויקים בעקבות סביבות סוערות לא בטוחות. [15, 16] הליך בדיקת הטיסה מחולק לשלושה שלבים: טרום טיסה, מבחן טיסה ולאחר הטיסה. חלוקת משנה זו דומה לנהלים ואחריה טייסים של מטוסים מאוישים באמצעות רשימות בדוקה מבוססות היטב של תא הטייס. [17]

טרום טיסה

טען סוללות ובדוק אותן לפני ההתקנה.
להקים סביבת בדיקה ברורה (בפנים או בחוץ), ולסמן את האזור כדי להבטיח שאנשים לא מעורבים יישארו ברורים.
ודא שצוות בדיקת הטיסה תודרך ומוסמך (מאומן) לבצע את הבדיקה המתוכננת.
אם אתם טסים בחוץ, ודאו שהמטוס והטייס רשומים ומאושרים בהתאם לתקנות ה-FAA. לפחות שלושה אנשים נדרשים לבדיקה תחת כיפת השמיים: טייס בפיקוד (PIC), משקיף חזותי (VO) ומפעיל תחנת קרקע. לבדיקות שלנו, הקוואדרוטור יטוס במתקן מרושת בחוץ. שני מפעילי חבל יבטיחו שהרכב לא יכול לטוס לבדיקות פנימיות. שים לב כי אין תקנות ספציפיות של FAA חלות על בדיקות טיסה נטו מכיוון שהמכ"ט אינו תופס שטח חיצוני פתוח.
הפעל מחשב טיסה ומחשב נייד של תחנת קרקע.
לאסוף נתונים ראשוניים כדי להבטיח כי החיישנים מתפקדים כראוי. הטייס וצוות התמיכה חייבים להבטיח הבנה ברורה של תוכנית הטיסה וכי נהלי ביטול /התאוששות נמצאים במקום.

מבחן טיסה

התחל רכישת נתונים בתחנת הקרקע.
אשר אזור הטיסה פנוי/בטוח.
מדחפי זרוע / מנועים.
ליזום רצף מבחן טיסה.
ערוך את מבחן הטיסה, כאשר הטייס קורא לכל שלב, כולל כמינימום:
המראה (שיגור), שינויים במצב טיסה, מטרות נקודת ציון ידועות או תמרונים ונחיתה. ודא שכל אנשי הצוות נמצאים במשימה ובצעו נהלי חירום (הפסקת טיסה) לפי הצורך. נקודות ציון ומסלולים ספציפיים לכל טיסה. לניסוי הקוואדרוטור, אנו עוקבים אחר דפוסי צלב ומלבניים אגרסיביים בינוניים בגובה ובכיוון קבועים, ולאחר מכן טיפוס /ירידה ואז רצף ייאו. הקצבים הזוויתיים והאצוצים הליניאריים בטיסה זו מזוהים בקלות בנתונים, והם מאשרים כי ה- IMU ובקר הטיסה פועלים כראוי.

לאחר הטיסה

נטרל מנועים כדי להבטיח שהם לא ידליקו בטעות.
שמור והורד נתוני טיסה לאחסון בארכיון.
רשום טיסה במילים לפי משוב מפעיל הטייס, ה- VO ומפעיל תחנת הקרקע.
בדוק את הסוללות וטען לפי הצורך.
לשחזר ציוד, ולנקות את האזור עבור הדייר הבא.

מקור: אלה מ. אטקינס, המחלקה להנדסת אוירונוטיקה וחלל, אוניברסיטת מישיגן, אן ארבור, MI

סקירה

טייס אוטומטי מאפשר לייצב את המטוסים באמצעות נתונים שנאספו מ…