リアルタイムフライトコントロール:埋め込みセンサーキャリブレーションとデータ取得

この手順では、IMU および ADS センサーのキャリブレーションとフライト コンピュータとの統合について説明し、屋外飛行施設での統合された INS および ADS データの取得と処理の使用方法を示します。ミシガン大学のM-Airネット飛行試験施設で動作するクワドローターのエンドツーエンドの飛行制御が実証されています。

1. センサーキャリブレーション:慣性測定ユニット(IMU)

センサーの口径測定は、高品質の試験装置からのサポートを使用して実行する場合に最も効果的です。3 軸 IMU の場合は、精度レート テーブルを使用して、各軸のレート ジャイロと加速度計を個別に調整します (図 6)。レートテーブルは、ユーザー定義の角速度で正確に回転します。ユーザーは一連のレート コマンドを発行し、その間に IMU はセンサーのキャリブレーションに必要なデータを収集します。したがって、以下に説明する単軸キャリブレーション実験は、IMUセンサ軸(x、y、z)ごとに1回、3回繰り返される。

1. キャリブレーションされるセンサー軸が放射状に内側または外側に向けられるようなレートテーブルに IMU をマウントします。
2. テーブルの中心から IMU 中心の中心までの距離を測定します。これは、円運動の基準半径です。
3. DAQ コンピュータ、IMU、およびバッテリをレート テーブルに直接取り付け、すべてのコンポーネントを直接接続します。
4. IMU レートとアクセラレーション データを収集するソフトウェアをセットアップします。
5. レートテーブルは動きのない、レコードレートジャイロ、加速度計バイアス値です。
6. 異なる正と負の定数率テーブル回転率を持つ一連の実験を行います。センサーのキャリブレーションは直線的であることが予想されます。0(ベースライン)、±15、±30、および±60度/秒の速度でデータを取得します。テーブルはより速い速度で回転することができますが、選択された値は典型的なUAV飛行操作で期待される信号をカバーするのに十分です。
7. 上記の角速度値ごとにキャリブレーションされているレートジャイロと加速度計からデータを収集します。一定のレートを維持するために、データを収集する前に各回転率を設定する必要があります。10 ~ 15 s を超えるデータを収集し、データ収集率が少なくとも 30 ~ 100 Hz であると仮定して、障害が最終的な校正値から除外されるようにします。
8. レートテーブルからIMUを取り外し、加速度計がポイントダウンする方を向きます。
9. コンピュータシステムを介して+1gのデータを収集します。
10. IMUを反転して、キャリブレーションされる加速度計がポイントアップし、コンピュータシステムを介して-1gデータを収集します。これらの余分なデータポイントは簡単に取得でき、±1gのレートテーブルデータから得られる各線形キャリブレーション曲線を検証するために使用できます。 1g値は、クワッドコプター本体に対する方向「下降」を決定するために線形加速度計データを使用するため、正確にキャリブレーションするために特に重要です。
11. データを処理します。取得した電圧を MKS 単位回転率 (ジャイロ) と線形加速度 (加速度計) に関連付けるジャイロおよび加速度計データ ポイントの線形曲線適合を開発します。キャリブレーションエラーが十分に低いことを確認します。レートテーブルはジャイロキャリブレーションのための角速度の直接制御を提供することをなおくね。対応する加速度は、円運動の感心力によって誘導され、レートテーブルの中心から指定された角速度ωとIMUの半径rから計算することができる。
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2. クワドローター飛行実験

最後の一連の実験では、IMUとピトーシステムをクワッドローター(図7参照)に取り付け、ミシガン大学のM-Airネット飛行施設で飛行します。車両は、Ardupilotオープンソースオートパイロットパッケージのポートを介してビーグルボーンブルー(マイクロプロセッサを使用しない)に安定させ、ミッションプランナー地上局ソフトウェアを介して飛行する前に設定されます。無線制御送信機/受信機インターフェイスを使用すると、パイロットはクアドロター高度、左右の動き、およびクアドロターロール角度、ピッチ角度、ヨー角度を規制するArdupilotの「インナーループ」飛行制御法に向かう「外側ループ」コマンドを提供することができます(見出し)、および高度。[14]

クワッドロータは安定させるために対気速度フィードバックを必要としないため、ArdupilotはIMUデータと、離陸高度圧力に対するプログラム初期化時に校正される高度の圧力センサのみを使用して、与えられた飛行を安定させます。パイロット入力。Ardupilotの完全に自律的な拡張は、GPSまたは他のセンシングシステムからの慣性位置データ(例えば、高速モーションキャプチャ)を必要とします。我々の実験は制約された環境で四回転子で行われたので、ピトー空気データシステムは必要ない。 しかし、ピトーシステムは、不確実な風の環境に続いて正確な飛行経路を試みる固定翼機やマルチコプターにとって不可欠です。[15, 16]飛行試験手順は、飛行前試験、飛行試験、飛行後の3つのフェーズに分かれています。この区分は、確立されたコックピットチェックリストを使用して有人航空機のパイロットが続く手順に似ています。[17]

飛行前

1. 電池を充電し、インストールする前にそれらをテストします。
2. 明確なテスト環境(屋内または屋外)を確立し、無関係な人々が明確なままであることを保証するために領域をマークします。
3. フライト テスト チームが、計画されたテストを実行するためのブリーフィングと修飾 (トレーニング済み) であることを確認します。
4. 屋外で飛行する場合は、航空機とパイロットがFAA規則に従って登録され、認定されていることを確認してください。野外試験には、コマンドのパイロット(PIC)、視覚観察者(VO)、地上局のオペレータの3人以上が必要です。私たちのテストのために、クワッドローターは屋外の網張りの施設で飛びます。2つのテザーオペレータは、車両が屋内テストのために離れて飛ぶことができないことを保証します。UAVはオープンな屋外スペースを占有していないため、特定のFAA規制はネット飛行試験には適用されません。
5. フライト コンピュータと地上局のラップトップの電源を入れます。
6. 予備データを収集して、センサーが正しく機能していることを確認します。パイロットチームとサポートチームは、フライトプランを明確に理解し、中止/復旧手順が整っていることを確認する必要があります。

フライトテスト

6. 地上局でデータ取得を開始します。
7. 飛行エリアがクリア/セーフであることを確認します。
8. アームスラスター/モーター。
9. フライト テスト シーケンスを開始します。
10. パイロットは、最小限を含む各ステップを呼び出して、飛行テストを実施します。
    離陸(打ち上げ)、飛行モードの変更、既知のウェイポイント目標または操縦、および着陸。 すべての人員がタスクに従事していることを確認し、必要に応じて緊急手順 (フライト終了) を実行します。ウェイポイントと軌道は、各フライトに固有です。クワドローター実験では、一定の高度と針路で適度に攻撃的な十字と長方形のパターンに従い、その後に上昇/降下、ヨーシーケンスを行います。このフライトの角度速度と線形加速度はデータで簡単に識別でき、IMU とフライト コントローラーが正しく機能していることを確認します。

ポストフライト

11. 誤ってオンにならないようにモーターを解除します。
12. フライトデータを保存してアーカイブストレージにダウンロードします。
13. パイロット、VO、および地上局のオペレータのフィードバックごとに単語でフライトをログに記録します。
14. バッテリーを確認し、必要に応じて充電します。
15. 機器を回収し、次の乗員のための領域をきれいにします。