8.14: Controllo di volo in tempo reale: calibrazione del sensore incorporato e acquisizione dati

Questa procedura illustrerà la calibrazione e l'integrazione dei sensori IMU e ADS con i computer di volo e dimostrerà l'uso dell'acquisizione e dell'elaborazione dei dati INS e ADS integrati in una struttura di volo all'aperto. Viene dimostrato il controllo di volo end-to-end per un quadrotor che opera nella struttura di test di volo con reti M-Air dell'Università del Michigan.

1. Calibrazione del sensore: unità di misura inerziale (IMU)

La calibrazione del sensore è più efficace se eseguita con il supporto di apparecchiature di test di alta qualità. Per l'IMU a 3 assi, calibrare separatamente il giroscopio e l'accelerometro della velocità per ciascun asse utilizzando una tabella della velocità di precisione (Figura 6). La tabella delle velocità ruota con precisione a una velocità angolare definita dall'utente. L'utente emette una serie di comandi di velocità, durante i quali l'IMU raccoglie i dati necessari per la calibrazione del sensore. L'esperimento di calibrazione ad asse singolo descritto di seguito viene quindi ripetuto tre volte, una volta per ogni asse del sensore IMU (x, y, z).

1. Montare l'IMU sulla tabella delle velocità in modo che l'asse del sensore da calibrare sia diretto radialmente verso l'interno o verso l'esterno.
2. Misurare la distanza dal centro del tavolo al centro del centro IMU. Questo è il raggio di riferimento per il movimento circolare.
3. Montare il computer DAQ, l'IMU e la batteria direttamente sulla tabella delle velocità e collegare direttamente tutti i componenti.
4. Configura il software per raccogliere i dati di velocità e accelerazione IMU.
5. Mentre la tabella dei tassi è immobile, registra i valori del giroscopio e dell'accelerometro.
6. Condurre una serie di esperimenti con diversi tassi di rotazione della tabella a velocità costante positiva e negativa. Le calibrazioni dei sensori dovrebbero essere lineari. Acquisisci dati a velocità di 0 (baseline), ±15, ±30 e ±60 gradi/secondo. La tabella può girare a velocità più elevate, ma i valori selezionati sono sufficienti per coprire i segnali previsti nelle tipiche operazioni di volo UAV.
7. Raccogli i dati dal giroscopio e dall'accelerometro da calibrare per ogni valore di velocità angolare sopra elencato. Ogni velocità di rotazione dovrebbe essere stabilita prima della raccolta dei dati per garantire il mantenimento di una velocità costante. Raccogliere dati superiori a 10 - 15 s, assumendo una velocità di raccolta dati di almeno 30 - 100 Hz, per garantire che i disturbi possano essere filtrati dai valori di calibrazione finali.
8. Scollegare e rimuovere l'IMU dalla tabella dei tassi e orientarla in modo tale che l'accelerometro calibrato punti verso il basso.
9. Raccogli +1g di dati attraverso il sistema informatico.
10. Capovolgere l'IMU in modo tale che l'accelerometro calibrato punti in alto e raccolga dati -1g attraverso il sistema informatico. Questi punti dati aggiuntivi sono semplici da ottenere e possono essere utilizzati per convalidare ogni curva di calibrazione lineare ottenuta dai dati della tabella dei tassi a ±1g.  Il valore di 1 g è particolarmente importante per calibrare con precisione perché i dati dell'accelerometro lineare vengono utilizzati per determinare la direzione "verso il basso" rispetto al corpo del quadricottero.
11. Elaborare i dati. Sviluppare curve lineari per i punti dati giroscopici e accelerometrici, che mettono in relazione le tensioni acquisite con le velocità di rotazione dell'unità MKS (giroscopio) e le accelerazioni lineari (accelerometro). Verificare che l'errore di calibrazione sia sufficientemente basso. Si noti che la tabella delle velocità fornisce il controllo diretto della velocità angolare per la calibrazione del giroscopio. L'accelerazione corrispondente, a, indotta dalla forza centripeta del moto circolare, può essere calcolata dalla velocità angolare specificata ω e dal raggio r dell'IMU dal centro della tabella dei tassi:
    (9)

2. Esperimenti di volo Quadrotor

Per la nostra serie finale di esperimenti, montiamo l'IMU e il sistema di Pitot su un quadrotor (mostrato nella Figura 7)e voliamo nella struttura di volo con reti M-Air dell'Università del Michigan. Il veicolo viene stabilizzato attraverso una porta del pacchetto autopilota open source Ardupilot al Beaglebone Blue (nessun microprocessore utilizzato) e configurato prima del volo attraverso il software della stazione di terra Mission Planner. Un'interfaccia trasmettitore/ricevitore radiocomando consente al pilota di fornire comandi "loop esterno" per l'altitudine del quadrotor, il movimento da lato a lato e la direzione della legge di controllo del volo "inner loop" di Ardupilot che regola l'angolo di rollio del quadrotor, l'angolo di beccheggio, l'angolo di imbardata (direzione) e l'altitudine. [14]

Poiché un quadrotor non richiede il feedback della velocità dell'aria per stabilizzarsi, Ardupilot si basa solo sui dati IMU più un sensore di pressione per l'altitudine, che viene calibrato durante l'inizializzazione del programma rispetto alla pressione dell'altitudine di decollo, per stabilizzare il volo dati gli input del pilota. Un'estensione completamente autonoma di Ardupilot richiede dati di posizione inerziale dal GPS o da altri sistemi di rilevamento (ad esempio, motion capture ad alta velocità). Poiché i nostri esperimenti sono stati eseguiti con quadricottatori in ambienti vincolati, il sistema di dati dell'aria di Pitot non è necessario.  Tuttavia, i sistemi pitot sono essenziali per velivoli ad ala fissa e multicotteri che tentano traiettorie di volo precise seguendo ambienti ventosi incerti. [15, 16] La procedura di test di volo è divisa in tre fasi: pre-volo, test di volo e post-volo. Questa suddivisione è simile alle procedure seguite dai piloti di aeromobili con equipaggio attraverso l'uso di liste di controllo della cabina di pilotaggio ben consolidate. [17]

Pre-volo

1. Caricare le batterie e testarle prima dell'installazione.
2. Stabilire un ambiente di prova chiaro (interno o esterno) e contrassegnare l'area per garantire che le persone non coinvolte rimangano chiare.
3. Assicurati che il team di test di volo sia informato e qualificato (addestrato) per eseguire il test pianificato.
4. Se voli all'aperto, assicurati che l'aeromobile e il pilota siano registrati e certificati secondo le normative FAA. Per un test all'aperto è richiesto un minimo di tre persone: un pilota in comando (PIC), un osservatore visivo (VO) e un operatore della stazione di terra. Per i nostri test, il quadrotor volerà in una struttura a rete all'aperto. Due operatori di tether assicureranno che il veicolo non possa volare via per i test indoor. Si noti che nessun regolamento specifico della FAA si applica ai test di volo netted poiché l'UAV non occupa uno spazio esterno aperto.
5. Accendi il computer di volo e il laptop della stazione di terra.
6. Raccogliere dati preliminari per garantire che i sensori funzionino correttamente. Il pilota e il team di supporto devono garantire una chiara comprensione del piano di volo e che siano in atto procedure di aborto / recupero.

Test di volo

6. Avviare l'acquisizione dei dati sulla stazione di terra.
7. Verificare che l'area di volo sia chiara/sicura.
8. Propulsori/motori a braccio.
9. Avviare la sequenza di test di volo.
10. Condurre il test di volo, con il pilota che chiama ogni passaggio, incluso come minimo:
    decollo (lancio), modifiche alla modalità di volo, bersagli o manovre waypoint noti e atterraggio.  Assicurarsi che tutto il personale sia in servizio ed eseguire procedure di emergenza (terminazione del volo) secondo necessità. Waypoint e traiettorie sono specifici per ogni volo. Per l'esperimento quadrotor, seguiamo schemi trasversali e rettangolari moderatamente aggressivi a un'altitudine e una direzione costanti, seguiti da una salita / discesa e quindi da una sequenza di imbardata. Le velocità angolari e le accelerazioni lineari in questo volo sono facilmente identificabili nei dati e confermano che l'IMU e il controllore di volo funzionano correttamente.

Post-volo

11. Disarmare i motori per assicurarsi che non si accendono accidentalmente.
12. Salva e scarica i dati di volo nell'archivio.
13. Registra il volo in parole per il feedback del pilota, del VO e dell'operatore della stazione di terra.
14. Controllare le batterie e caricare secondo necessità.
15. Recupera l'attrezzatura e pulisci l'area per il prossimo occupante.

Un velivolo ad ala fissa raggiunge un volo stabile bilanciando quattro forze: portanza aerodinamica, resistenza aerodinamica, spinta del sistema di propulsione e peso. Per ottenere un volo stabile, deve anche bilanciare i momenti su tutti e tre gli assi, l'asse di rollio, beccheggio e imbardata. Tutte le rotazioni sono definite come angoli attorno a questi assi con variazioni dell'asse di rollio che causano movimenti da un lato all'altro, modifiche dell'asse di beccheggio che causano movimenti di inclinazione in avanti e all'indietro e variazioni nell'asse di imbardata che causano cambiamenti di direzione.

Al fine di stabilizzare l'aereo a qualsiasi cambiamento improvviso come raffiche di vento, un sistema di controllo del volo emette comandi del motore e della superficie di controllo che devono essere aggiornati in tempo reale. Pertanto, il sistema di controllo utilizza vari sensori per mantenere una misurazione accurata dell'altitudine attuale, ovvero gli angoli di rollio, beccheggio e imbardata, nonché la velocità dell'aria. Una volta acquisiti i dati dai sensori, i segnali vengono filtrati per ridurre l'impatto del rumore e dei valori anomali sulla qualità dei dati elaborati. I dati vengono quindi aggregati in una stima completa dello stato dell'aeromobile e utilizzati per il controllo del volo.

Sia gli aerei ad ala fissa che i multicotteri si affidano a questo sistema di controllo per monitorare e controllare l'altitudine degli aeromobili. Entrambi utilizzano anche lo sweep del sensore noto come unità di misura inerziale o IMU.

Un'IMU è tipicamente composta da tre tipi di sensori: accelerometri per misurare l'accelerazione lineare, giroscopi di velocità per misurare la velocità angolare e sensori di campo magnetico per misurare la direzione e l'intensità del campo magnetico locale. Un'IMU è spesso accoppiata con un sistema GPS e montata vicino al baricentro dell'aeromobile con l'asse del sensore allineato con l'asse del corpo dell'aeromobile.

In questo laboratorio, dimostreremo la calibrazione di una semplice IMU utilizzando una tabella dei tassi di precisione. Provvederemo quindi a montare l'IMU calibrata su un multicottero ed eseguire un test di volo per visualizzare i dati in tempo reale e filtrarli.

Nella prima parte dell'esperimento, calibreremo l'IMU che contiene un giroscopio di velocità e un accelerometro per ogni asse utilizzando una tabella di velocità di precisione. La tabella delle velocità ruota con precisione a una velocità definita dall'utente seguendo una serie di comandi di velocità. Questo ci permette di determinare la relazione tra la lettura della tensione e la velocità.

Per iniziare, montare l'IMU sulla tabella delle tariffe con le viti e orientarla in modo tale che l'asse del sensore da calibrare, in questo caso l'asse X, sia direttamente radialmente verso l'interno o verso l'esterno. Misurare la distanza dal centro del tavolo al centro dell'IMU e utilizzare questa misura come raggio di riferimento per il movimento circolare. L'IMU è montata su una scheda di acquisizione dati. Collegare direttamente i componenti.

Ora, configura il software per raccogliere i dati sulla velocità IMU e sull'accelerazione. Condurre una serie di esperimenti con diverse velocità di rotazione della tabella a velocità costante positive e negative con zero utilizzato come misura di base. Mentre la tabella delle velocità è immobile, registrare il giroscopio della velocità e l'accelerometro in base ai valori S. Quindi, avvia il test e raccogli i dati.

Una volta che tutte le velocità angolari sono state testate per quell'orientamento, staccare l'IMU e riposizionarla in modo che l'accelerometro sia orientato verso l'alto. Ricollegarlo, quindi avviare il test per raccogliere dati a -1 G. Successivamente, capovolgi l'IMU in modo che l'accelerometro sia orientato verso il basso e raccogli i dati +1 G.

Quando hai completato la calibrazione dell'asse x, riposiziona l'IMU in modo che il sensore dell'asse z sia orientalmente radiale verso l'esterno e ripeti tutti i test, ricordandoti di posizionare l'IMU verso l'alto e verso il basso per calibrare l'accelerometro. Eseguire la stessa procedura per il sensore dell'asse y.

Nella prossima parte dell'esperimento, monteremo l'IMU sul quadrirotore e lo faremo volare all'interno di una struttura di volo a rete. Un'interfaccia ricevitore del trasmettitore a controllo radiale consente al pilota di fornire comandi per altitudine, direzione, angolo di rollio, angolo di beccheggio e angolo di imbardata.

Prima di iniziare, caricare tutte le batterie e testare i componenti prima dell'installazione sul quadrirotore. Quindi prepara il volo assicurandoti che almeno tre persone, il pilota in comando, l'osservatore visivo e l'operatore della stazione di terra siano tutti informati sui piani di volo. Portare il quadrirotore nella struttura di volo a rete e posizionarlo su una tavola di atterraggio piatta.

Il test di volo inizia con il decollo dall'origine salendo ad un'altitudine di 1,5 m. Quindi, eseguiremo un modello di volo di due metri quadrati con una velocità di riferimento di 0,5 m/s. Il quadrirotore si ferma prima di ogni cambio di posizione. Quindi eseguiremo segmenti di attraversamenti a velocità più elevate a 0,5, 1 e 1,5 m/s per dimostrare come la velocità influisce sull'overshoot.

Per iniziare il test di volo, avviare l'acquisizione dei dati sulla stazione di terra. Dopo aver verificato che l'area di volo sia libera, armare i motori. Ora, inizia la sequenza di test di volo con il pilota che chiama ogni passaggio prima di eseguirli a partire dal decollo. Assicurati di annunciare tutte le modifiche alla modalità di volo, i bersagli waypoint noti o le manovre.

Dopo che il piano di volo è stato eseguito, avvisare il resto della squadra di volo della discesa e dell'atterraggio finale del quadricottero. Quindi, disinserire i motori del quadricottero. Salva e scarica tutti i dati del volo e registra il volo nel registro di volo. Infine, recupera tutta l'attrezzatura e libera l'area per l'utente successivo.

Ora interpretiamo i risultati. Partendo dai dati di calibrazione per l'IMU, per prima cosa mostriamo un grafico della velocità di rotazione della tabella delle velocità rispetto alla tensione del giroscopio. Si noti che la tabella delle velocità fornisce il controllo diretto della velocità angolare per la calibrazione del giroscopio. Un adattamento lineare ai dati consente il calcolo della velocità dalla tensione del giroscopio. In questo caso, il giroscopio della velocità emette una lettura nominale della velocità zero di 2,38 volt.

Infine, diamo un'occhiata ai dati di volo. Qui mostriamo un set di dati di accelerazione laterale di 30 secondi per il quadrirotore utilizzando la nostra IMU calibrata. Questo grafico mostra le misurazioni dell'accelerazione grezze e filtrate dall'IMU rispetto al tempo. I dati sono stati filtrati per eliminare il rumore dalla misurazione. Puoi vedere che i dati grezzi sul rumore sono attenuati. Tuttavia, è presente un ritardo nei dati filtrati.

In sintesi, abbiamo appreso come i sistemi di controllo degli aeromobili utilizzano vari sensori per misurare l'altitudine e la velocità attuali durante il volo. Abbiamo quindi calibrato un giroscopio e un accelerometro e li abbiamo montati su un quadrirotore prima di eseguire esperimenti di volo.