What four forces must be balanced for a fixed-wing aircraft to achieve steady flight?

A fixed-wing aircraft balances four forces: aerodynamic lift, aerodynamic drag, propulsion system thrust, and weight. These forces must be in equilibrium for the aircraft to maintain steady flight. Additionally, the aircraft must balance moments about the roll, pitch, and yaw axes to achieve stable flight and respond to disturbances like wind gusts.

What are the three main components of an inertial measurement unit?

An inertial measurement unit (IMU) typically contains three sensor types: accelerometers to measure linear acceleration, rate gyroscopes to measure angular velocity, and magnetic field sensors to measure the direction and strength of the local magnetic field. The IMU is often coupled with a GPS system and mounted near the aircraft center of gravity with sensor axes aligned to the aircraft body.

How does a precision rate table calibrate a rate gyroscope?

A precision rate table rotates at user-defined velocities following rate commands, enabling determination of the relationship between voltage readout and angular velocity. By testing the IMU at different positive and negative constant rotation rates with zero as baseline, a linear fit to the data allows calculation of speed from gyro voltage, establishing the gyroscope's calibration curve.

Why is signal filtering applied to flight control sensor data?

Signal filtering reduces the impact of noise and outliers on processed data quality. Moving average and median filters are applied to each data channel to attenuate high-frequency signal noise. However, filtering introduces a time delay in the processed data, which must be considered when designing real-time flight control systems.

What measurements does a flight control system acquire to stabilize an aircraft?

A flight control system acquires measurements of current altitude, roll, pitch, and yaw angles, as well as airspeed. Once sensor data is collected, it is filtered to reduce noise, then aggregated into a full estimate of aircraft state. This state estimate is used to issue motor and control surface commands updated in real-time to maintain stable flight.

What safety procedures are required before conducting a quadrotor flight test?

Before flight testing, charge all batteries and test components prior to installation. Ensure at least three people—the pilot in command, visual observer, and ground station operator—are briefed on the flight plan. Start data acquisition on the ground station, confirm the flight area is clear, and arm the motors only after all safety checks are complete.

How does accelerometer orientation affect IMU calibration?

During calibration, the accelerometer must be oriented in different directions to measure gravitational acceleration. The IMU is positioned upward to collect -1 G data, then flipped downward to collect +1 G data. This procedure is repeated for each axis (x, y, and z) to fully calibrate the accelerometer's response to gravitational forces along all directions.

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

0 wyświetleń08:36 min

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).

Zamontuj IMU na tabeli szybkości w taki sposób, aby kalibrowana oś czujnika była skierowana promieniowo do wewnątrz lub na zewnątrz.
Zmierz odległość od środka stołu do środka środka IMU. Jest to promień odniesienia dla ruchu kołowego.
Zamontuj komputer DAQ, IMU i baterię bezpośrednio do tabeli stawek i podłącz wszystkie komponenty bezpośrednio.
Skonfiguruj oprogramowanie do zbierania danych o szybkości i przyspieszeniu IMU.
Podczas gdy tabela stawek jest nieruchoma, zapisuj wartości odchylenia żyroskopu i akcelerometru.
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.
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.
Odłącz i wyjmij IMU z tabeli szybkości i ustaw go tak, aby kalibrowany akcelerometr był skierowany w dół.
Zbierz dane +1g za pomocą systemu komputerowego.
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.
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:
(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

Naładuj akumulatory i przetestuj je przed instalacją.
Ustal przejrzyste środowisko testowe (wewnątrz lub na zewnątrz) i zaznacz obszar, aby upewnić się, że osoby niezaangażowane pozostają czyste.
Upewnij się, że zespół testowy w locie jest poinformowany i wykwalifikowany (przeszkolony) do wykonania planowanego testu.
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.
Włącz komputer pokładowy i laptopa stacji naziemnej.
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.

Test w locie

Rozpocznij akwizycję danych na stacji naziemnej.
Upewnij się, że obszar lotu jest czysty/bezpieczny.
Ramię sterów strumieniowych/silników.
Rozpocznij sekwencję prób w locie.
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.

Po locie

Rozbrój silniki, aby upewnić się, że nie włączą się przypadkowo.
Zapisuj i pobieraj dane lotu do pamięci archiwalnej.
Rejestruj lot w słowach zgodnie z informacjami zwrotnymi od pilota, VO i operatora stacji naziemnej.
Sprawdź baterie i naładuj w razie potrzeby.
Odzyskaj sprzęt i posprzątaj obszar dla następnego pasażera.