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).
(9)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
Test w locie
Po locie
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].
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).
(9)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
Test w locie
Po locie
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.
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.
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...
Chapters in this video
0:01
Concepts
2:31
Calibration of IMU
4:45
Real-time Flight Experiment
7:11
Results
Videos from this collection: