실시간 비행 제어: 임베디드 센서 교정 및 데이터 수집

이 절차는 IMU 및 ADS 센서 교정 및 비행 컴퓨터와의 통합을 설명하고 실외 비행 시설에서 통합 된 INS 및 ADS 데이터 수집 및 처리의 사용을 보여줍니다. 미시간 대학교 M-Air 그물 비행 테스트 시설에서 운영되는 사분면비행 제어가 입증되었습니다.

1. 센서 교정: 관성 측정 장치(IMU)

센서 교정은 고품질 테스트 장비의 지원을 받아 수행될 때 가장 효과적입니다. 3축 IMU의 경우 정밀속도표(도6)를사용하여 각 축에 대한 자이로 및 가속도계를 별도로 보정합니다. 속도 표는 사용자가 정의한 각도 속도로 정확하게 회전합니다. 사용자는 일련의 속도 명령을 발행하며, IMU는 센서 교정에 필요한 데이터를 수집합니다. 따라서 아래에 설명된 단일 축 교정 실험은 따라서 각 IMU 센서축(x, y, z)에대해 한 번 세 번 반복된다.

1. 보정되는 센서 축이 내부 또는 바깥쪽으로 복사하도록 IMU를 속도 표에 마운트합니다.
2. 테이블 중앙에서 IMU 센터의 중심까지의 거리를 측정합니다. 이는 원형 모션의 참조 반지름입니다.
3. DAQ 컴퓨터, IMU 및 배터리를 속도 테이블에 직접 마운트하고 모든 구성 요소를 직접 연결합니다.
4. IMU 속도 및 가속 데이터를 수집하는 소프트웨어를 설정합니다.
5. 속도 표는 움직이지 않지만 기록 속도 자이로 및 가속도계 바이어스 값입니다.
6. 서로 다른 양수 및 음수 상수 속도 테이블 회전 률로 일련의 실험을 수행합니다. 센서 교정은 선형으로 예상됩니다. 0(기준), ±15, ±30, ±60도/초의 속도로 데이터를 수집합니다. 테이블은 더 빠른 속도로 회전할 수 있지만 선택한 값은 일반적인 UAV 비행 작업에서 예상되는 신호를 커버하기에 충분합니다.
7. 위에 나열된 각 각도 속도 값에 대해 보정되는 속도 자이로 및 가속도계에서 데이터를 수집합니다. 일정한 속도를 유지하려면 데이터가 수집되기 전에 각 회전 속도를 설정해야 합니다. 30~ 100Hz 이상의 데이터 수집 속도를 가정하고 10-15s 이상의 데이터를 수집하여 최종 교정 값에서 장애를 필터링할 수 있도록 합니다.
8. 분리 및 속도 테이블에서 IMU를 제거하고 가속도계가 아래로 보정되는 것을 방향을 지정합니다.
9. 컴퓨터 시스템을 통해 +1g 의 데이터를 수집합니다.
10. IMU를 뒤집어가 가속도계가 포인트를 보정하고 컴퓨터 시스템을 통해 -1g 데이터를 수집합니다. 이러한 추가 데이터 포인트는 쉽게 얻을 수 있으며 ±1g의 속도 테이블 데이터에서 얻은 각 선형 교정 곡선의 유효성을 검사하는 데 사용할 수 있습니다.  선형 가속도계 데이터가 쿼드콥터 본문에 비해 "다운" 방향을 결정하는 데 사용되기 때문에 1g 값은 정확하게 보정하는 것이 특히 중요합니다.
11. 데이터를 처리합니다. MKS 유닛 회전속도(자이로) 및 선형 가속도계(가속도계)에 대한 획득 전압과 관련된 자이로 및 가속도계 데이터 포인트에 맞는 선형 곡선을 개발합니다. 교정 오류가 충분히 낮은지 확인합니다. 요금 표는 자이로 교정을 위한 각도 속도를 직접 제어합니다. 원형 모션의 중심력에 의해 유도되는 해당 가속은, 속도 테이블 센터에서 IMU의 지정된 각도 속도 ω 및 반지름 r으로부터 계산될 수 있다.
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2. 쿼드로터 비행 실험

실험의 마지막 시리즈를 위해, 우리는 쿼드로터에 IMU와 피토 시스템을 장착 (그림 7에표시) 미시간 대학의 M-Air 그물 비행 시설에서 비행. 차량은 아두파일럿 오픈 소스 오토파일럿 패키지 의 포트를 통해 비글본 블루(마이크로프로세서 사용 없음)로 안정화되고 미션 플래너 지상역 소프트웨어를 통해 비행 전에 구성됩니다. 무선 제어 송신기/수신기 인터페이스를 통해 파일럿은 사분면 고도, 좌우 모션에 대한 "외부 루프" 명령을 제공하고 아두파일럿의 "내부 루프" 비행 제어 법으로 이동하여 사사회전 롤 각도, 피치 각도, 야각도(제목) 및 고도를 조절할 수 있습니다. [14]

쿼드로터는 안정화를 위해 공기 속도 피드백을 필요로 하지 않기 때문에, Ardupilot은 IMU 데이터와 고도에 대한 압력 센서에만 의존하며, 이는 이륙 고도 압력에 비해 프로그램 초기화 중에 보정되어 파일럿 입력을 고려할 때 비행을 안정화시킵니다. Ardupilot의 완전 자율 확장에는 GPS 또는 기타 감지 시스템(예: 고속 모션 캡처)의 관성 위치 데이터가 필요합니다. 제한된 환경에서 사분으로 실험이 수행되었기 때문에 피토 공기 데이터 시스템은 필요하지 않습니다.  그러나 피토 시스템은 불확실한 바람이 부는 환경에 따라 정확한 비행 경로를 시도하는 고정 날개 항공기 및 멀티 콥터에 필수적입니다. [15, 16] 비행 테스트 절차는 비행 전, 비행 테스트 및 비행 후의 세 단계로 나뉩니다. 이 세분화는 잘 확립 된 조종석 체크리스트를 사용하여 유인 항공기의 조종사가 이어지는 절차와 유사합니다. [17]

비행 전

1. 배터리를 충전하고 설치하기 전에 테스트합니다.
2. 명확한 테스트 환경(실내 또는 실외)을 설정하고 관련되지 않은 사람들이 명확하게 유지되도록 영역을 표시합니다.
3. 비행 테스트 팀이 계획된 테스트를 수행하기 위해 브리핑및 자격을 갖춘(훈련된)을 수행해야 합니다.
4. 야외 비행하는 경우 FAA 규정에 따라 항공기와 조종사가 등록되고 인증되었는지 확인하십시오. 야외 테스트에는 최소 3명이 필요합니다: 명령의 조종사(PIC), 시각 관찰자(VO), 지상역 운영자. 우리의 시험을 위해, 쿼드로터는 야외에서 그물 시설에서 비행합니다. 두 명의 밧줄 작업자는 차량이 실내 테스트를 위해 멀리 날 수 없도록 보장합니다. UAV가 개방형 야외 공간을 차지하지 않기 때문에 그물 비행 테스트에는 특정 FAA 규정이 적용되지 않습니다.
5. 비행 컴퓨터와 지상 역 노트북을 켭니다.
6. 센서가 제대로 작동하는지 확인하기 위해 예비 데이터를 수집합니다. 조종사 및 지원 팀은 비행 계획에 대한 명확한 이해를 보장해야 하며 중단/복구 절차가 마련되어 있어야 합니다.

비행 테스트

6. 지상 스테이션에서 데이터 수집을 시작합니다.
7. 비행 영역이 명확하고 안전한지 확인합니다.
8. 팔 추진기 / 모터.
9. 비행 테스트 시퀀스를 시작합니다.
10. 조종사가 최소한 단계별로 각 단계를 호출하는 비행 테스트를 수행합니다.
    이륙(발사), 비행 모드 변경, 알려진 웨이포인트 타겟 또는 기동, 착륙.  모든 직원이 업무에 착수하고 필요에 따라 비상 절차(비행 종료)를 실행해야 합니다. 웨이포인트와 궤적은 각 비행에 만만치 않습니다. 사분면 실험의 경우, 일정한 고도와 헤딩에서 적당히 공격적인 크로스 및 직사각형 패턴을 따르고 등반 / 하강 다음 yaw 시퀀스를 따릅니다. 이 비행의 각도 속도와 선형 가속은 데이터에서 쉽게 식별되며 IMU 및 비행 컨트롤러가 올바르게 작동하는지 확인합니다.

비행 후

11. 모터를 무장 해제하여 실수로 켜지지 않도록 합니다.
12. 비행 데이터를 저장하고 다운로드하여 보관 저장합니다.
13. 파일럿, VO 및 지상 역 운영자 피드백당 단어로 비행할 수 있습니다.
14. 필요에 따라 배터리를 확인하고 충전하십시오.
15. 장비를 복구하고 다음 탑승자를위한 영역을 청소하십시오.