Name: autopilot sensors for uav flight control
Uploaded: 2023-04-30T07:05:02.000Z
Duration: 8 min 36 s
Channel: JoVE

Procedura ta zilustruje kalibrację i integrację czujników IMU i ADS z komputerami pokładowymi oraz zademonstruje zastosowanie zintegrowanego pozyskiwania i przetwarzania danych INS i ADS w zewnętrznym obiekcie lotniczym. Zademonstrowano kompleksową kontrolę lotu dla czterowirnikowca działającego w ośrodku testowym M-Air Uniwersytetu Michigan z siatką testową. 
1. Kalibracja czujnika: bezwładnościowa jednostka pomiarowa (IMU)
Kalibracja czujnika jest najskuteczniejsza, gdy jest wykonywana przy wsparciu wysokiej jakości sprzętu testowego. W przypadku 3-osiowego IMU skalibruj żyroskop prędkości i akcelerometr dla każdej osi osobno, korzystając z precyzyjnej tabeli szybkości (Rysunek 6). Tabela szybkości precyzyjnie obraca się z prędkością kątową zdefiniowaną przez użytkownika. Użytkownik wydaje szereg poleceń dotyczących szybkości, podczas których IMU zbiera dane potrzebne do kalibracji czujnika. Opisany poniżej eksperyment kalibracji jednoosiowej jest zatem powtarzany trzykrotnie, raz dla każdej osi czujnika IMU (x, y, z). 
<ol>
	<li>Zamontuj IMU na tabeli szybkości w taki sposób, aby kalibrowana oś czujnika była skierowana promieniowo do wewnątrz lub na zewnątrz. </li>
	<li>Zmierz odległość od środka stołu do środka środka IMU. Jest to promień odniesienia dla ruchu kołowego. </li>
	<li>Zamontuj komputer DAQ, IMU i baterię bezpośrednio do tabeli stawek i podłącz wszystkie komponenty bezpośrednio. </li>
	<li>Skonfiguruj oprogramowanie do zbierania danych o szybkości i przyspieszeniu IMU. </li>
	<li>Podczas gdy tabela stawek jest nieruchoma, zapisuj wartości odchylenia żyroskopu i akcelerometru. </li>
	<li>Przeprowadź serię eksperymentów z różnymi dodatnimi i ujemnymi wskaźnikami rotacji tabeli stałych stawek. Oczekuje się, że kalibracje czujników będą liniowe. Uzyskuj dane z szybkością 0 (linia bazowa), ±15, ±30 i ±60 stopni/sekundę. Tabela może obracać się z większą prędkością, ale wybrane wartości są wystarczające, aby pokryć sygnały oczekiwane w typowych operacjach lotniczych UAV. </li>
	<li>Zbierz dane z żyroskopu szybkości i akcelerometru kalibrowanego dla każdej wartości prędkości kątowej wymienionej powyżej. Każda szybkość rotacji powinna być ustalona przed zebraniem danych, aby zapewnić utrzymanie stałej szybkości. Zbieraj dane przez 10 - 15 s, zakładając szybkość zbierania danych co najmniej 30 - 100 Hz, aby zapewnić możliwość odfiltrowania zakłóceń z końcowych wartości kalibracji. </li>
	<li>Odłącz i wyjmij IMU z tabeli szybkości i ustaw go tak, aby kalibrowany akcelerometr był skierowany w dół. </li>
	<li>Zbierz dane +1g za pomocą systemu komputerowego. </li>
	<li>Obróć IMU tak, aby kalibrowany akcelerometr był skierowany do góry i zebrał dane -1g przez system komputerowy. Te dodatkowe punkty danych są łatwe do uzyskania i mogą być wykorzystane do walidacji każdej liniowej krzywej kalibracyjnej uzyskanej z danych tabeli szybkości przy ±1 g. Wartość 1 g jest szczególnie ważna dla dokładnej kalibracji, ponieważ dane akcelerometru liniowego są wykorzystywane do określenia kierunku "w dół" względem korpusu quadkoptera. </li>
	<li>Przetwarzaj dane. Opracuj dopasowanie krzywej liniowej dla punktów danych żyroskopu i akcelerometru, która odnosi nabyte napięcia do jednostkowych prędkości obrotowych MKS (żyroskop) i przyspieszeń liniowych (akcelerometr). Upewnij się, że błąd kalibracji jest wystarczająco niski. Należy pamiętać, że tabela szybkości zapewnia bezpośrednią kontrolę prędkości kątowej dla kalibracji żyroskopu. Odpowiednie przyspieszenie, a, indukowane siłą dośrodkową ruchu kołowego, można obliczyć z określonej prędkości kątowej ω i promienia r IMU ze środka tabeli szybkości: 
	<img src="/files/ftp_upload/10470/10470eq17.jpg"> (9)</li>
</ol>
2. Eksperymenty z lotem czterowirnikowca
W naszej ostatniej serii eksperymentów montujemy IMU i system Pitota na czterowirniku (pokazanym na Rysunek 7) i latamy w ośrodku lotów M-Air Uniwersytetu Michigan. Pojazd jest stabilizowany przez port pakietu autopilota Ardupilot o otwartym kodzie źródłowym do Beaglebone Blue (bez użycia mikroprocesora) i konfigurowany przed lotem za pomocą oprogramowania stacji naziemnej Mission Planner. Interfejs nadajnika/odbiornika sterowania radiowego umożliwia pilotowi wydawanie poleceń "pętli zewnętrznej" dla wysokości czterowirnika, ruchu na boki i kierowania do prawa sterowania lotem "pętli wewnętrznej" Ardupilot regulującego kąt przechyłu quadrotora, kąt nachylenia, kąt odchylenia (kierunek) i wysokość. [14] 
Ponieważ czterowirnikowiec nie wymaga sprzężenia zwrotnego prędkości lotu do stabilizacji, Ardupilot polega tylko na danych IMU oraz czujniku ciśnienia wysokości, który jest kalibrowany podczas inicjalizacji programu w stosunku do ciśnienia wysokości startowej, aby ustabilizować lot na podstawie danych wejściowych pilota. W pełni autonomiczne rozszerzenie Ardupilot wymaga danych o położeniu inercyjnym z GPS lub innego systemu wykrywania (np. szybkiego przechwytywania ruchu). Ponieważ nasze eksperymenty zostały przeprowadzone z quadrotorami w ograniczonych środowiskach, system danych lotniczych Pitota nie jest konieczny. Jednak systemy Pitota są niezbędne dla samolotów stałopłatowych i multikopterów próbujących precyzyjnych torów lotu po niepewnych wietrznych warunkach. [15, 16] Procedura testu w locie jest podzielona na trzy fazy: przed lotem, test w locie i po locie. Podział ten jest podobny do procedur stosowanych przez pilotów załogowych statków powietrznych poprzez wykorzystanie dobrze ugruntowanych list kontrolnych w kokpicie. [17]
Przed lotem
<ol>
	<li>Naładuj akumulatory i przetestuj je przed instalacją. </li>
	<li>Ustal przejrzyste środowisko testowe (wewnątrz lub na zewnątrz) i zaznacz obszar, aby upewnić się, że osoby niezaangażowane pozostają czyste. </li>
	<li>Upewnij się, że zespół testowy w locie jest poinformowany i wykwalifikowany (przeszkolony) do wykonania planowanego testu. </li>
	<li>Jeśli latasz na zewnątrz, upewnij się, że dron i pilot są zarejestrowani i certyfikowani zgodnie z przepisami FAA. Do przeprowadzenia testu na otwartej przestrzeni wymagane są co najmniej trzy osoby: pilot dowódca (PIC), obserwator wizualny (VO) i operator stacji naziemnej. Na potrzeby naszych testów quadrotor będzie latał w siatkowym obiekcie na zewnątrz. Dwóch operatorów uwięzi zapewni, że pojazd nie odleci w celu przeprowadzenia testów w pomieszczeniach. Należy pamiętać, że żadne szczególne przepisy FAA nie mają zastosowania do testów w locie z siatką, ponieważ UAV nie zajmuje otwartej przestrzeni zewnętrznej. </li>
	<li>Włącz komputer pokładowy i laptopa stacji naziemnej. </li>
	<li>Zbierz wstępne dane, aby upewnić się, że czujniki działają prawidłowo. Pilot i zespół pomocniczy muszą upewnić się, że dobrze rozumieją plan lotu i że istnieją procedury przerwania/odzyskiwania. </li>
</ol>
Test w locie
<ol start="6">
	<li>Rozpocznij akwizycję danych na stacji naziemnej. </li>
	<li>Upewnij się, że obszar lotu jest czysty/bezpieczny. </li>
	<li>Ramię sterów strumieniowych/silników. </li>
	<li>Rozpocznij sekwencję prób w locie. </li>
	<li>Przeprowadź próbę w locie, w której pilot wykrzykuje każdy krok, w tym co najmniej: 
	start (start), zmiany trybu lotu, znane cele lub manewry w punktach orientacyjnych oraz lądowanie. Upewnij się, że cały personel jest na miejscu i w razie potrzeby wykonuje procedury awaryjne (zakończenie lotu). Punkty trasy i trajektorie są specyficzne dla każdego lotu. W eksperymencie z quadrotorem podążamy za umiarkowanie agresywnymi wzorcami krzyżowymi i prostokątnymi na stałej wysokości i kursie, po których następuje sekwencja wznoszenia/opadania, a następnie odchylenia. Prędkości kątowe i przyspieszenia liniowe w tym locie są łatwe do zidentyfikowania w danych i potwierdzają, że IMU i kontroler lotu działają prawidłowo. </li>
</ol>
Po locie
<ol start="11">
	<li>Rozbrój silniki, aby upewnić się, że nie włączą się przypadkowo. </li>
	<li>Zapisuj i pobieraj dane lotu do pamięci archiwalnej. </li>
	<li>Rejestruj lot w słowach zgodnie z informacjami zwrotnymi od pilota, VO i operatora stacji naziemnej. </li>
	<li>Sprawdź baterie i naładuj w razie potrzeby. </li>
	<li>Odzyskaj sprzęt i posprzątaj obszar dla następnego pasażera. </li>
</ol>

W tym miejscu opisaliśmy systemy czujników, akwizycję danych i proces filtrowania sygnałów wymagany do umożliwienia kontroli lotu w czasie rzeczywistym przez stałopłaty i wiropłaty. Ten potok danych jest niezbędnym elementem wszystkich systemów autopilota załogowych i bezzałogowych statków powietrznych. Multikoptery wymagają autopilotów do stabilizacji, a samoloty wszystkich typów krytycznie polegają na pozyskiwaniu danych w czasie rzeczywistym i kontroli lotu we wszystkich operacjach, ponieważ zmierzamy w kierunku coraz...

kontrola lotu w czasie rzeczywistym: wbudowana kalibracja czujników i akwizycja danych

Źródło: Ella M. Atkins, Wydział Inżynierii Lotniczej i Kosmicznej, Uniwersytet Michigan, Ann Arbor, MI
Przegląd
Autopilot umożliwia stabilizację samolotu na podstawie danych zebranych z czujników pokładowych, które mierzą orientację samolotu, prędkość kątową i prędkość lotu. Wielkości te mogą być regulowane przez autopilota, dzięki czemu dron automatycznie podąża za planem lotu od startu (startu) do powrotu (lądowania). Podobne dane z czujników są zbierane do sterowania wszystkimi typami samolotów, od dużych komercyjnych samolotów transportowych po małe śmigłowce wielowirnikowe, takie jak quadkopter z czterema silnikami. 
Dzięki inercyjnemu położeniu i prędkości rejestrowanej przez czujnik, taki jak Global Positioning System (GPS), system sterowania lotem autopilota w czasie rzeczywistym umożliwia multikopterowi lub stałopłatowi statywowi statywnemu statywowi ustabilizowanie jego położenia i prędkości lotu, aby podążać określoną trajektorią. Integracja czujników, kalibracja, akwizycja danych i filtrowanie sygnałów są warunkami wstępnymi dla eksperymentów w kontroli lotu. 
W tym miejscu opisujemy zestaw czujników, który dostarcza danych niezbędnych do sterowania lotem. Opisano interfejsy sygnałowe i akwizycję danych na dwóch różnych wbudowanych platformach komputerowych, a także podsumowano kalibrację czujników. Jednokanałowe filtry średniej ruchomej i mediany są stosowane do każdego kanału danych w celu zmniejszenia szumu sygnału o wysokiej częstotliwości i wyeliminowania wartości odstających. 
W tym eksperymencie zademonstrowano akwizycję danych i kalibrację czujników do kontroli lotu w czasie rzeczywistym. W kilku opublikowanych pracach opisano zasady zbierania i kontroli danych z czujników, a ostatnio skupiono się na czujnikach dla małych bezzałogowych statków powietrznych (UAV) [1-3].

Kalibracja czujnika
Przykład wykresu kalibracji żyroskopu jest pokazany na rysunku 8. W tym przypadku żyroskop prędkości emituje odczyt nominalny (prędkość zerowa) 2,38 V. Dane dotyczące napięcia żyroskopu szybkości zostały zebrane dla sześciu różnych prędkości obrotowych mierzonych w stopniach na sekundę, a do tych danych dopasowano krzywą liniową. Jak pokazano, dopasowanie liniowe zapewnia bardzo dobre przybliżenie wszystkich zebranych punktów danych.
<p class="...

Kontrola lotu w czasie rzeczywistym: wbudowana kalibracja czujników i akwizycja danych

Source: Ella M. Atkins, Department of Aerospace Engineering, University of Michigan, Ann Arbor, MI
Overview
Autopilot allows aircraft to be stabilized ...

Samolot ze stałopłatem osiąga stabilny lot poprzez zrównoważenie czterech sił: siły nośnej aerodynamicznej, oporu aerodynamicznego, ciągu układu napędowego i masy. Aby osiągnąć stabilny lot, musi również zrównoważyć momenty wokół wszystkich trzech osi, osi przechyłu, pochylenia i odchylenia. Wszystkie obroty są definiowane jako kąty wokół tych osi, przy czym zmiany osi przechyłu powodują ruch na boki, zmiany osi pochylenia powodują ruch przechylania do przodu i do tyłu oraz zmiany osi odchylenia powodujące zmiany kursu. Aby ustabilizować samolot na wszelkie nagłe zmiany, takie jak podmuchy wiatru, system sterowania lotem wydaje polecenia silnika i powierzchni sterowej, które muszą być aktualizowane w czasie rzeczywistym. W ten sposób system sterowania wykorzystuje różne czujniki do utrzymania dokładnego pomiaru aktualnej wysokości, czyli kątów przechyłu, pochylenia i odchylenia, a także prędkości powietrza. Po zebraniu danych z czujników sygnały są filtrowane w celu zmniejszenia wpływu szumów i wartości odstających na jakość przetwarzanych danych. Dane są następnie agregowane w pełne oszacowanie stanu samolotu i wykorzystywane do kontroli lotu. Zarówno stałopłaty, jak i multikoptery polegają na tym systemie sterowania do monitorowania i kontrolowania wysokości samolotu. Oba wykorzystują również przemiatanie czujnika znane jako inercyjna jednostka pomiarowa lub IMU. IMU zazwyczaj składa się z trzech typów czujników: akcelerometrów do pomiaru przyspieszenia liniowego, żyroskopów do pomiaru prędkości kątowej oraz czujników pola magnetycznego do pomiaru kierunku i siły lokalnego pola magnetycznego. IMU jest często sprzężony z systemem GPS i montowany w pobliżu środka ciężkości samolotu, z osią czujnika wyrównaną z osią korpusu samolotu. W tym laboratorium zademonstrujemy kalibrację prostego IMU przy użyciu tabeli szybkości precyzji. Następnie zamontujemy skalibrowany IMU na multikopterze i przeprowadzimy test w locie, aby wyświetlić dane w czasie rzeczywistym i je przefiltrować. W pierwszej części eksperymentu skalibrujemy IMU, który zawiera żyroskop i akcelerometr dla każdej osi, korzystając z precyzyjnej tabeli szybkości. Tabela stawek precyzyjnie obraca się z prędkością zdefiniowaną przez użytkownika, postępując zgodnie z serią poleceń dotyczących stawki. Dzięki temu możemy określić zależność między odczytem napięcia a prędkością. Aby rozpocząć, zamontuj IMU na tabeli stawek za pomocą śrub i ustaw go tak, aby kalibrowana oś czujnika, w tym przypadku oś X, była bezpośrednio promieniowo do wewnątrz lub na zewnątrz. Zmierz odległość od środka stołu do środka IMU i użyj tego pomiaru jako promienia odniesienia dla ruchu kołowego. IMU jest zamontowany na płytce akwizycji danych. Podłącz komponenty bezpośrednio. Teraz skonfiguruj oprogramowanie, aby zbierać dane dotyczące szybkości IMU i przyspieszenia. Przeprowadź serię eksperymentów z różnymi dodatnimi i ujemnymi szybkościami rotacji tabeli stałej szybkości, przy czym zero służy jako pomiar bazowy. Gdy tabela szybkości jest nieruchoma, zapisz żyroskop i akcelerometr według wartości S. Następnie rozpocznij test i zbierz dane. Po przetestowaniu wszystkich prędkości kątowych dla tej orientacji odłącz IMU i zmień jego położenie tak, aby przyspieszeniomierz był skierowany do góry. Podłącz go ponownie, a następnie zainicjuj test, aby zebrać dane -1 G. Następnie obróć IMU tak, aby akcelerometr był skierowany w dół i zbierz dane +1 G. Po zakończeniu kalibracji osi x zmień położenie IMU tak, aby czujnik osi z był skierowany promieniowo na zewnątrz i powtórz wszystkie testy, pamiętając o ustawieniu IMU w górę i w dół, aby skalibrować akcelerometr. Wykonaj tę samą procedurę dla czujnika osi y. W kolejnej części eksperymentu zamontujemy IMU na quadrotorze i przelecimy nim wewnątrz otoczonego siatką obiektu lotniczego. Interfejs nadajnika i odbiornika sterowania promieniowego umożliwia pilotowi wydawanie poleceń dotyczących wysokości, kursu, kąta przechyłu, kąta nachylenia i kąta odchylenia. Przed rozpoczęciem naładuj wszystkie akumulatory i przetestuj komponenty przed instalacją w quadrotorze. Następnie należy przygotować lot, upewniając się, że co najmniej trzy osoby, pilot dowodzący, obserwator wzrokowy i operator stacji naziemnej zostali poinstruowani o planach lotu. Wprowadź quadrrotor do otoczonego siatką obiektu lotniczego i ustaw go na płaskiej płycie do lądowania. Próba w locie rozpoczyna się od startu z punktu początkowego wznoszenia się na wysokość 1,5 m. Następnie wykonamy dwumetrowy kwadratowy wzór lotu z prędkością odniesienia 0,5 m/s. Quadrotor zatrzymuje się przed każdą zmianą położenia. Następnie wykonamy segmenty przesuwów z większą prędkością 0,5, 1 i 1,5 m/s, aby zademonstrować, jak prędkość wpływa na przeregulowanie. Aby rozpocząć próbę w locie, rozpocznij akwizycję danych na stacji naziemnej. Po upewnieniu się, że obszar lotu jest wolny, uzbrój silniki. Teraz rozpocznij sekwencję prób w locie, w której pilot woła każdy krok, zanim wykona je od startu. Pamiętaj, aby ogłosić wszystkie zmiany trybu lotu, znane cele punktów trasy lub manewry. Po wykonaniu planu lotu powiadom resztę zespołu lotniczego o ostatecznym zniżaniu i lądowaniu quadkoptera. Następnie rozbrój silniki w quadkopterze. Zapisz i pobierz wszystkie dane lotu i zarejestruj lot w dzienniku lotów. Na koniec odzyskaj cały sprzęt i oczyść obszar dla następnego użytkownika. Zinterpretujmy teraz wyniki. Zaczynając od danych kalibracyjnych dla IMU, najpierw pokazujemy wykres prędkości obrotowej tabeli szybkości w funkcji napięcia żyroskopowego. Należy pamiętać, że tabela szybkości zapewnia bezpośrednią kontrolę prędkości kątowej dla kalibracji żyroskopu. Liniowe dopasowanie do danych umożliwia obliczenie prędkości na podstawie napięcia żyroskopowego. W takim przypadku żyroskop prędkości emituje nominalny odczyt prędkości zerowej 2,38 wolta. Na koniec spójrzmy na dane lotu. Tutaj pokazujemy 30-sekundowy zestaw danych przyspieszenia poprzecznego dla czterowirnikowca przy użyciu naszego skalibrowanego IMU. Ten wykres przedstawia surowe i przefiltrowane pomiary przyspieszenia z IMU w funkcji czasu. Dane zostały przefiltrowane w celu usunięcia szumów z pomiaru. Widać, że surowe dane dotyczące szumu są tłumione. Jednak w filtrowanych danych występuje opóźnienie czasowe. Podsumowując, dowiedzieliśmy się, w jaki sposób systemy sterowania samolotem wykorzystują różne czujniki do pomiaru aktualnej wysokości i prędkości lotu podczas lotu. Następnie skalibrowaliśmy żyroskop i akcelerometr i zamontowaliśmy je na quadrrotorze przed przeprowadzeniem eksperymentów w locie.

real-time-flight-control-embedded-sensor-calibration-data

Education

JoVE Science Education

Engineering

Inżynieria

Aeronautical Engineering

Inżynieria lotnicza

Real-time Flight Control: Embedded Sensor Calibration and Data Acquisition

autopilot sensors for uav flight control

Autopilot flight control depends on onboard sensors that measure an aircraft’s orientation, angular velocity, and airspeed. These measurements let the system stabilize the aircraft and help it follow a flight plan from takeoff through landing.

The same kind of sensor data is used in many aircraft, including large fixed-wing transport planes and small multirotor helicopters such as quadcopters with four thruster units. When inertial position and velocity are captured with a sensor such as the Global Positioning System (GPS), the autopilot can help a multicopter or fixed-wing aircraft hold its attitude and airspeed while following a set trajectory.

Accurate flight control experiments also require sensor integration, calibration, data acquisition, and signal filtering. The sensor suite in this work provides the data needed for flight control, and the signal interfaces and data acquisition methods are shown on two different embedded computer platforms.

Sensor calibration is summarized as part of the setup. To clean the data, single-channel moving average and median filters are applied to each channel. These filters reduce high-frequency noise and remove outliers, which helps prepare the measurements for real-time flight control.

Autopilot Sensors for UAV Flight Control

aerodynamic performance of a model aircraft: the dc-6b

aerodynamic-performance-of-a-model-aircraft-the-dc-6b

Wind Tunnel Testing of a DC-6B Model

A low-speed wind tunnel can be used to study the aerodynamics of a DC-6B model aircraft. It helps measure how the airplane performs and how stable it is in flight. This type of testing is useful for understanding aircraft behavior under controlled airflow. The model used here has a removable tail and a 6-component external aerodynamic force balance. That setup lets researchers measure lift coefficient (CL), drag coefficient (CD), pitching moment coefficient (CM), and yaw moment coefficient...

propeller characterization: variations in pitch, diameter, and blade number on performance

propeller-characterization-variations-pitch-diameter-blade-number-on

Propeller Slip and Blade Design Effects

Propellers are twisted airfoils used to move aircraft and watercraft. The chord angle changes along the radial station of the propeller, which affects how the blade pushes air. Because propellers are important in propulsion systems, engineers study them to help design high-performance vehicles. A key propeller feature is pitch, or twist. Pitch is usually measured as a length and describes the theoretical distance a propeller would move through the air in one full revolution. In real...

airfoil behavior: pressure distribution over a clark y-14 wing

airfoil-behavior-pressure-distribution-over-a-clark-y-14-wing

Measuring Lift with a Clark Y-14 Airfoil

A Clark Y-14 airfoil is used to measure pressure distribution and estimate lift. An airfoil is a 2-dimensional wing section that helps show key wing performance features. In this demonstration, the pressure distribution around the airfoil is measured with a wind tunnel. Pressure distribution is closely related to the lift generated by an airfoil. The Clark Y-14 model used here has a thickness of 14% and a flat lower surface from 30% of the chord length to the back. The model also includes 19...

clark y-14 wing performance: deployment of high-lift devices (flaps and slats)

clark-y-14-wing-performance-deployment-high-lift-devices-flaps

Wing Lift Control with Flaps and Slats

The Clark Y-14 wing shows how flaps and slats can change airplane lift during takeoff and landing. A wing is the main part of an airplane that generates lift, and high-lift devices help improve its performance when extra lift is needed. Flaps are located on the trailing edge of the wing. Slats are located on the leading edge. In this experiment, both devices are added to a Clark Y-14 wing so their aerodynamic effects can be studied in a wind tunnel. The wind tunnel creates set airspeeds for...

turbulence sphere method: evaluating wind tunnel flow quality

turbulence-sphere-method-evaluating-wind-tunnel-flow-quality

Measuring Wind Tunnel Turbulence with a Sphere

Wind tunnel turbulence can be measured with a smooth sphere as a test model. Wind tunnel tests help engineers design vehicles and structures that will face airflow during use. The air flows are applied in a controlled way, and the model is usually a smaller version of the full-sized object. For low-speed wind tunnel tests, the flow around the model must match the flow around the real object as closely as possible. This is called dynamic similarity, and it depends on the Reynolds number. The...

cross cylindrical flow: measuring pressure distribution and estimating drag coefficients

cross-cylindrical-flow-measuring-pressure-distribution-estimating

Cylinder Flow in a Wind Tunnel: Pressure Drag

Cylinder flow in a wind tunnel shows how pressure changes around a circular object and how those changes relate to drag. The lesson focuses on cross cylindrical flow, where air moves across a cylinder and the pressure on its surface is measured. It also compares real fluid behavior with the simpler results predicted by ideal inviscid potential flow theory. For an ideal fluid, the pressure around a cylinder is vertically symmetric. The pressure upstream and downstream of the cylinder is also...

nozzle analysis: variations in mach number and pressure along a converging and a converging-diverging nozzle

nozzle-analysis-variations-mach-number-pressure-along-converging

Nozzle Flow Regimes in Converging Nozzles

Nozzle flow changes as the nozzle cross-section changes. A nozzle can accelerate or slow a fluid by shaping the flow path. In aerospace propulsion, nozzles are widely used to help produce thrust. In rockets, propellant leaves the chamber and passes through a nozzle. The nozzle speeds up the propellant and creates a reaction force that moves the system forward. In jet engines, a nozzle converts energy from a high-pressure source into kinetic energy in the exhaust. The flow in a nozzle is...

schlieren imaging: a technique to visualize supersonic flow features

schlieren-imaging-a-technique-to-visualize-supersonic-flow-features

Supersonic Shock Waves with Schlieren Imaging

Schlieren imaging is used to show shock waves and compression waves in supersonic flow. It helps make air motion visible when the flow becomes compressible. In this demonstration, a Mach 2.0 flow over a cone is examined with a Schlieren system. Military jet fighters and projectiles can travel faster than the speed of sound. The speed of sound is the rate at which a sound wave moves through a medium, and it is 343 m/s. Mach number compares an object’s speed to the speed of sound. An object at...

flow visualization in a water tunnel: observing the leading-edge vortex over a delta wing

flow-visualization-water-tunnel-observing-leading-edge-vortex-over

Delta Wing Vortex Flow in a Water Tunnel

Delta wing vortex flow can be studied with a water tunnel and dye visualization. A delta wing is a common wing shape for high-speed airplanes because it performs well in transonic and supersonic flight. It has a small aspect ratio, which means the wing span is short compared with the average chord, and a high sweep angle. These features help reduce drag at high subsonic, transonic, and supersonic speeds. A delta wing also has a high stall angle. Stall happens later than it does for a high...

surface dye flow visualization: a qualitative method to observe streakline patterns in supersonic flow

surface-dye-flow-visualization-qualitative-method-to-observe

Supersonic Surface Flow Patterns with Dye

Supersonic surface flow patterns can be studied with dye flow visualization. This method uses dye on the surface of a body to show how gas moves across it. The resulting streakline patterns help reveal flow paths and surface behavior. Flow visualization is a key tool in aerodynamics research. It helps researchers study flow structure and check ideas about fluid motion. Visualization methods are often grouped into off-the-surface and surface flow techniques. Off-the-surface methods look at the...

pitot-static tube: a device to measure air flow speed

pitot-static-tube-a-device-to-measure-air-flow-speed

Measuring Airspeed with Pressure Differences

A Pitot-static tube measures airspeed by comparing air pressure differences. It is widely used to find unknown speeds in airflow, including airplane airspeed. The method relies on Bernoulli's principle, which links changes in pressure to changes in airflow speed. The tube senses stagnation pressure and static pressure. Stagnation pressure is the pressure where the air is brought to rest, and static pressure is the pressure of the moving air around it. The tube connects to a manometer or a...

constant temperature anemometry: a tool to study turbulent boundary layer flow

constant-temperature-anemometry-tool-to-study-turbulent-boundary

Measuring Skin Friction in a Turbulent Boundary Layer

A turbulent boundary layer forms near a solid surface when fluid flow becomes irregular and mixed. In this region, viscous effects and viscous shear stress dominate because friction between the fluid and the surface slows the flow. Outside the boundary layer, the flow is inviscid, which means friction, thermal conduction, and mass diffusion do not create dissipative effects. The boundary layer idea, first introduced by Ludwig Prandtl in 1904, helps simplify the Navier-Stokes equation for flow...

pressure transducer: calibration using a pitot-static tube

pressure-transducer-calibration-using-a-pitot-static-tube

Pitot-Static Pressure Measurement Calibration

Pitot-static pressure measurement calibration uses a wind tunnel, a manometer, and a pressure transducer to link flow pressure to an electrical signal. Fluid pressure is an important flow property for understanding the aerodynamics of a system. In this setup, a pitot-static probe measures stagnation and static pressure during subsonic flow. A U-tube manometer is one of the oldest pressure measurement systems still used today. It is a U-shaped glass tube partly filled with liquid. Because it...

real-time flight control: embedded sensor calibration and data acquisition

Autopilot flight control depends on onboard sensors that measure an aircraft’s orientation, angular velocity, and airspeed. These measurements let the system stabilize the aircraft and help it follow a flight plan from takeoff through landing. The same kind of sensor data is used in many aircraft, including large fixed-wing transport planes and small multirotor helicopters such as quadcopters with four thruster units. When inertial position and velocity are captured with a sensor such as the...

multicopter aerodynamics: characterizing thrust on a hexacopter

multicopter-aerodynamics-characterizing-thrust-on-a-hexacopter

Hexacopter Thrust Testing in a Wind Tunnel

Hexacopter thrust testing shows how a six-rotor drone produces lift and drag. Multicopters are popular for hobby and commercial use. They are commonly built as quadcopters, hexacopters, or octocopters, depending on whether they use four, six, or eight thrusters. This study uses a small modular hexacopter platform with propulsion unit redundancy. Redundancy means the vehicle has backup capability if one motor fails. The team first measured static motor thrust with a dynamometer while changing...

aeronautical engineering

This collection introduces fundamental concepts in aeronautical engineering with a focus on methods to evaluate aerodynamic performance, techniques to visualize subsonic and supersonic flow patterns, and procedures to calibrate measurement systems for real-time flight control.

See how onboard sensors, GPS, calibration, and filtering support autopilot flight control for fixed-wing aircraft and quadcopters in real time.

Autopilot Sensors for UAV Flight Control

Description

Transcript

Tags