Controle de Voo em Tempo Real: Calibração de Sensor Incorporado e Aquisição de Dados

Este procedimento ilustrará a calibração e integração dos sensores IMU e ADS com computadores de voo e demonstrará o uso de aquisição e processamento de dados INS e ADS integrados usando em uma instalação de voo ao ar livre. O controle de voo de ponta a ponta para um quadrotor que opera na instalação de teste de voo líquido M-Air da Universidade de Michigan é demonstrado.

1. Calibração do sensor: Unidade de medição inercial (IMU)

A calibração do sensor é mais eficaz quando realizada com suporte de equipamentos de teste de alta qualidade. Para a IMU de 3 eixos, calibrar a taxa giroscópio e acelerômetro para cada eixo separadamente usando uma tabela de taxa de precisão(Figura 6). A tabela de taxa gira precisamente em uma velocidade angular definida pelo usuário. O usuário emite uma série de comandos de taxa, durante os quais o IMU coleta os dados necessários para a calibração do sensor. O experimento de calibração de um eixo único descrito abaixo é, portanto, repetido três vezes, uma vez para cada eixo de sensor IMU(x, y, z).

1. Monte o IMU na tabela de taxa de modo que o eixo do sensor que está sendo calibrado seja direcionado radialmente para dentro ou para fora.
2. Meça a distância do centro da mesa até o centro do centro da IMU. Este é o raio de referência para movimento circular.
3. Monte o computador DAQ, IMU e bateria diretamente na tabela de taxas e conecte todos os componentes diretamente.
4. Configure software para coletar dados de taxa de IMU e aceleração.
5. Enquanto a tabela de taxas está imóvel, o giroscópio de taxa de registro e os valores de viés do acelerômetro.
6. Realize uma série de experimentos com diferentes taxas de rotação de tabelas de taxa constante positivas e negativas. Espera-se que as calibrações dos sensores sejam lineares. Adquira dados a taxas de 0 (linha de base), ±15, ±30 e ±60 graus/segundo. A tabela pode girar a taxas mais rápidas, mas os valores selecionados são suficientes para cobrir sinais esperados em operações típicas de voo UAV.
7. Coletar dados da taxa giroscópio e acelerômetro sendo calibrados para cada valor de velocidade angular listado acima. Cada taxa de rotação deve ser estabelecida antes que os dados sejam coletados para garantir que uma taxa constante seja mantida. Coletar dados acima de 10 a 15 s, assumindo uma taxa de coleta de dados de pelo menos 30 a 100 Hz, para garantir que os distúrbios possam ser filtrados a partir dos valores finais de calibração.
8. Desconecte e remova o IMU da tabela de taxas e oriente-o de modo que o acelerômetro que está sendo calibrado acalmule.
9. Colete +1g de dados através do sistema do computador.
10. Gire o IMU de tal forma que o acelerômetro sendo calibrado aponte para cima e colete dados de -1g através do sistema do computador. Esses pontos de dados extras são simples de obter e podem ser usados para validar cada curva de calibração linear obtida a partir de dados de tabela de taxa em ±1g.  O valor de 1g é particularmente importante para calibrar com precisão porque os dados do acelerômetro linear são usados para determinar a direção "para baixo" em relação ao corpo do quadcopter.
11. Processe os dados. Desenvolver ajustes de curva linear para pontos de dados de giroscópio e acelerômetro, que relaciona tensões adquiridas a taxas rotacionais de unidades MKS (giroscópio) e acelerações lineares (acelerômetro). Confirme se o erro de calibração é suficientemente baixo. Observe que a tabela de taxas fornece controle direto da velocidade angular para a calibração do giroscópio. A aceleração correspondente, a, induzida pela força centrípeta do movimento circular, pode ser calculada a partir da velocidade angular especificada ω e do raio r do IMU do centro de tabela de taxa:
    (9)

2. Experimentos de voo quadrotor

Para nossa série final de experimentos, montamos o sistema IMU e pitot em um quadrotor (mostrado na Figura 7) e voamos na instalação de voo de rede M-Air da Universidade de Michigan. O veículo é estabilizado através de uma porta do pacote de piloto automático de código aberto Ardupilot para o Beaglebone Blue (sem uso de microprocessador) e configurado antes do voo através do software da estação terrestre Mission Planner. Uma interface de transmissor/receptor de rádio permite que o piloto forneça comandos de "loop externo" para altitude quadrotor, movimento lado a lado e indo para a lei de controle de voo "loop interno" do Ardupilot, regulando o ângulo de rolo do quadrotor, ângulo de arremesso, ângulo de guinada (posição e altitude). [14]

Como um quadrotor não requer feedback de velocidade de ar para estabilizar, o Ardupilot depende apenas de dados IMU mais um sensor de pressão para altitude, que é calibrado durante a inicialização do programa em relação à pressão de altitude de decolagem, para estabilizar o voo dado as entradas piloto. Uma extensão totalmente autônoma do Ardupilot requer dados de posição inercial do GPS ou outro sistema de sensoriamento (por exemplo, captura de movimento de alta velocidade). Como nossos experimentos foram realizados com quadrodores em ambientes restritos, o sistema de dados de ar pitot não é necessário.  No entanto, os sistemas pitot são essenciais para aeronaves de asa fixa e multicopters que tentam rotas de voo precisas seguindo ambientes de vento incertos. [15, 16] O procedimento de teste de voo é dividido em três fases: pré-vôo, teste de voo e pós-vôo. Esta subdivisão é semelhante aos procedimentos seguidos por pilotos de aeronaves tripuladas através do uso de listas de verificação de cockpit bem estabelecidas. [17]

Pré-vôo

1. Carregue as baterias e teste-as antes da instalação.
2. Estabeleça um ambiente de teste claro (interior ou ao ar livre) e marque a área para garantir que as pessoas não envolvidas permaneçam claras.
3. Certifique-se de que a equipe de teste de voo seja informada e qualificada (treinada) para realizar o teste planejado.
4. Se voar ao ar livre, certifique-se de que a aeronave e o piloto estejam registrados e certificados pelos regulamentos da FAA. Um mínimo de três pessoas é necessário para um teste ao ar livre: um piloto no comando (PIC), observador visual (VO) e operador de estação terrestre. Para nossos testes, o quadrotor voará em uma instalação ao ar livre. Dois operadores de corda garantirão que o veículo não possa voar para testes internos. Observe que nenhuma regulamentação específica da FAA se aplica a testes de voo líquidos, uma vez que o UAV não ocupa um espaço aberto ao ar livre.
5. Ligue o computador de voo e o laptop da estação terrestre.
6. Colete dados preliminares para garantir que os sensores estejam funcionando corretamente. O piloto e a equipe de suporte devem garantir uma compreensão clara do plano de voo e que os procedimentos de abortagem/recuperação estejam em vigor.

Teste de voo

6. Inicie a aquisição de dados na estação terrestre.
7. Confirme se a área de voo está limpa/segura.
8. Propulsores de braço/motores.
9. Inicie a sequência de teste de voo.
10. Realize o teste de voo, com o piloto chamando cada passo, inclusive no mínimo:
    decolagem (lançamento), mudanças no modo de voo, alvos ou manobras conhecidas do waypoint e pouso.  Certifique-se de que todos os funcionários estão em tarefa e execute procedimentos de emergência (terminação de voo) conforme necessário. Waypoints e trajetórias são específicos para cada voo. Para o experimento quadrotor, seguimos padrões cruzados e retangulares moderadamente agressivos a uma altitude constante e direção, seguido por uma subida/descida e, em seguida, uma sequência de guinada. As taxas angulares e acelerações lineares neste voo são facilmente identificadas nos dados, e confirmam que o IMU e o controlador de voo estão funcionando corretamente.

Pós-vôo

11. Desarmar motores para garantir que eles não vão ligar acidentalmente.
12. Salve e baixe dados de voo para armazenamento de arquivamento.
13. Faça o voo em palavras pelo feedback do piloto, VO e operador de estação terrestre.
14. Verifique as baterias e carregue conforme necessário.
15. Recupere o equipamento e limpe a área para o próximo ocupante.