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).
- 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.
- Meça a distância do centro da mesa até o centro do centro da IMU. Este é o raio de referência para movimento circular.
- Monte o computador DAQ, IMU e bateria diretamente na tabela de taxas e conecte todos os componentes diretamente.
- Configure software para coletar dados de taxa de IMU e aceleração.
- Enquanto a tabela de taxas está imóvel, o giroscópio de taxa de registro e os valores de viés do acelerômetro.
- 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.
- 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.
- Desconecte e remova o IMU da tabela de taxas e oriente-o de modo que o acelerômetro que está sendo calibrado acalmule.
- Colete +1g de dados através do sistema do computador.
- 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.
- 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
- Carregue as baterias e teste-as antes da instalação.
- Estabeleça um ambiente de teste claro (interior ou ao ar livre) e marque a área para garantir que as pessoas não envolvidas permaneçam claras.
- Certifique-se de que a equipe de teste de voo seja informada e qualificada (treinada) para realizar o teste planejado.
- 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.
- Ligue o computador de voo e o laptop da estação terrestre.
- 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
- Inicie a aquisição de dados na estação terrestre.
- Confirme se a área de voo está limpa/segura.
- Propulsores de braço/motores.
- Inicie a sequência de teste de voo.
- 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
- Desarmar motores para garantir que eles não vão ligar acidentalmente.
- Salve e baixe dados de voo para armazenamento de arquivamento.
- Faça o voo em palavras pelo feedback do piloto, VO e operador de estação terrestre.
- Verifique as baterias e carregue conforme necessário.
- Recupere o equipamento e limpe a área para o próximo ocupante.
Fonte: Ella M. Atkins, Departamento de Engenharia Aeroespacial da Universidade de Michigan, Ann Arbor, MI
Visão geral
O piloto automático permite que…
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).
- 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.
- Meça a distância do centro da mesa até o centro do centro da IMU. Este é o raio de referência para movimento circular.
- Monte o computador DAQ, IMU e bateria diretamente na tabela de taxas e conecte todos os componentes diretamente.
- Configure software para coletar dados de taxa de IMU e aceleração.
- Enquanto a tabela de taxas está imóvel, o giroscópio de taxa de registro e os valores de viés do acelerômetro.
- 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.
- 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.
- Desconecte e remova o IMU da tabela de taxas e oriente-o de modo que o acelerômetro que está sendo calibrado acalmule.
- Colete +1g de dados através do sistema do computador.
- 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.
- 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
- Carregue as baterias e teste-as antes da instalação.
- Estabeleça um ambiente de teste claro (interior ou ao ar livre) e marque a área para garantir que as pessoas não envolvidas permaneçam claras.
- Certifique-se de que a equipe de teste de voo seja informada e qualificada (treinada) para realizar o teste planejado.
- 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.
- Ligue o computador de voo e o laptop da estação terrestre.
- 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
- Inicie a aquisição de dados na estação terrestre.
- Confirme se a área de voo está limpa/segura.
- Propulsores de braço/motores.
- Inicie a sequência de teste de voo.
- 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
- Desarmar motores para garantir que eles não vão ligar acidentalmente.
- Salve e baixe dados de voo para armazenamento de arquivamento.
- Faça o voo em palavras pelo feedback do piloto, VO e operador de estação terrestre.
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Uma aeronave de asa fixa atinge um vôo estável equilibrando quatro forças: sustentação aerodinâmica, arrasto aerodinâmico, empuxo e peso do sistema de propulsão. Para alcançar um vôo estável, ele também deve equilibrar os momentos em torno de todos os três eixos, o eixo de rotação, inclinação e guinada. Todas as rotações são definidas como ângulos em torno desses eixos, com mudanças no eixo de rolagem causando movimento de um lado para o outro, mudanças no eixo de inclinação causando movimento de inclinação para frente e para trás e mudanças no eixo de guinada causando mudanças de rumo.
Para estabilizar a aeronave a quaisquer mudanças repentinas, como rajadas de vento, um sistema de controle de voo emite comandos de motor e superfície de controle que devem ser atualizados em tempo real. Assim, o sistema de controle usa vários sensores para manter uma medição precisa da altitude atual, ou seja, os ângulos de rotação, inclinação e guinada, bem como a velocidade do ar. Depois que os dados são adquiridos dos sensores, os sinais são filtrados para reduzir o impacto do ruído e dos valores discrepantes na qualidade dos dados processados. Os dados são então agregados em uma estimativa completa do estado da aeronave e usados para controle de voo.
Tanto as aeronaves de asa fixa quanto os multicópteros contam com esse sistema de controle para monitorar e controlar a altitude da aeronave. Ambos também utilizam varredura de sensor conhecida como unidade de medição inercial ou IMU.
Uma IMU normalmente consiste em três tipos de sensores: acelerômetros para medir a aceleração linear, giroscópios de taxa para medir a velocidade angular e sensores de campo magnético para medir a direção e a força do campo magnético local. Uma IMU é frequentemente acoplada a um sistema GPS e montada perto do centro de gravidade da aeronave com o eixo do sensor alinhado com o eixo do corpo da aeronave.
Neste laboratório, demonstraremos a calibração de uma IMU simples usando uma tabela de taxas de precisão. Em seguida, montaremos a IMU calibrada em um multicóptero e realizaremos um teste de voo para visualizar dados em tempo real e filtrar.
Na primeira parte do experimento, calibraremos a IMU que contém um giroscópio de taxa e acelerômetro para cada eixo usando uma tabela de taxa de precisão. A tabela de taxas gira com precisão a uma velocidade definida pelo usuário seguindo uma série de comandos de taxa. Isso nos permite determinar a relação entre a leitura de tensão e a velocidade.
Para começar, monte a IMU na tabela de taxas com parafusos e oriente-a de forma que o eixo do sensor que está sendo calibrado, neste caso o eixo X, seja diretamente radialmente para dentro ou para fora. Meça a distância do centro da mesa ao centro da IMU e use essa medida como o raio de referência para o movimento circular. A IMU é montada em uma placa de aquisição de dados. Conecte os componentes diretamente.
Agora, configure o software para coletar a taxa IMU e os dados de aceleração. Realize uma série de experimentos com diferentes taxas de rotação da tabela de taxa constante positiva e negativa com zero usado como medida de linha de base. Enquanto a tabela de taxas estiver imóvel, registre o giroscópio de taxa e o acelerômetro por valores S. Em seguida, inicie o teste e colete os dados.
Uma vez que todas as velocidades angulares tenham sido testadas para essa orientação, desconecte a IMU e reposicione-a de forma que o acelerômetro fique orientado para cima. Reconecte-o e inicie o teste para coletar dados de -1 G. Depois disso, vire a IMU para que o acelerômetro fique orientado para baixo e colete dados +1 G.
Quando tiver concluído a calibração do eixo x, reposicione a IMU de forma que o sensor do eixo z fique orientalmente radialmente para fora e repita todos os testes, lembrando-se de posicionar a IMU para cima e para baixo para calibrar o acelerômetro. Execute o mesmo procedimento para o sensor do eixo y.
Na próxima parte do experimento, montaremos a IMU no quadricóptero e a voaremos dentro de uma instalação de vôo com rede. Uma interface de receptor transmissor de controle radial permite que o piloto forneça comandos para altitude, rumo, ângulo de rotação, ângulo de inclinação e ângulo de guinada.
Antes de começar, carregue todas as baterias e teste os componentes antes da instalação no quadrotor. Em seguida, prepare o voo certificando-se de que pelo menos três pessoas, o piloto em comando, o observador visual e o operador da estação terrestre sejam informados sobre os planos de voo. Traga o quadricóptero para a instalação de vôo com rede e coloque-o em uma placa de pouso plana.
O teste de vôo começa com a decolagem da origem subindo a uma altitude de 1,5 m. Em seguida, executaremos um padrão de voo quadrado de dois metros com uma velocidade de referência de 0,5 m/s. O quadricóptero faz uma pausa antes de cada mudança de posição. Em seguida, executaremos segmentos de travessias de maior velocidade a 0,5, 1 e 1,5 m/s para demonstrar como a velocidade afeta o overshoot.
Para iniciar o teste de voo, inicie a aquisição de dados na estação terrestre. Depois de confirmar que a área de voo está livre, arme os motores. Agora, inicie a sequência de teste de voo com o piloto chamando cada etapa antes de executá-las começando com a decolagem. Certifique-se de anunciar todas as mudanças no modo de voo, alvos de waypoint conhecidos ou manobras.
Após a execução do plano de voo, alerte o resto da equipe de voo sobre a descida final e o pouso do quadricóptero. Em seguida, desarme os motores do quadricóptero. Salve e baixe todos os dados de voo e registre o voo no diário de bordo. Por fim, recupere todos os equipamentos e limpe a área para o próximo usuário.
Agora vamos interpretar os resultados. Começando com os dados de calibração para a IMU, primeiro mostramos um gráfico da velocidade de rotação da tabela de taxas versus a tensão do giroscópio. Observe que a tabela de taxas fornece controle direto da velocidade angular para a calibração do giroscópio. Um ajuste linear aos dados permite o cálculo da velocidade a partir da tensão do giroscópio. Nesse caso, o giroscópio de taxa emite uma leitura nominal de velocidade zero de 2,38 volts.
Finalmente, vamos dar uma olhada nos dados do voo. Aqui mostramos um conjunto de dados de aceleração lateral de 30 segundos para o quadricóptero usando nossa IMU calibrada. Este gráfico mostra as medições de aceleração brutas e filtradas da IMU em relação ao tempo. Os dados foram filtrados para remover o ruído da medição. Você pode ver que os dados brutos de ruído são atenuados. No entanto, um atraso de tempo está presente nos dados filtrados.
Em resumo, aprendemos como os sistemas de controle de aeronaves usam vários sensores para medir a altitude atual e a velocidade do ar durante o voo. Em seguida, calibramos um giroscópio de taxa e um acelerômetro e os montamos em um quadricóptero antes de realizar experimentos de vôo.
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Q1: 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.
Q2: 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.
Q3: 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.
Q4: 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.
Q5: 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.
Q6: 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.
Q7: 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.
Capítulos neste vídeo
0:01
Concepts
2:31
Calibration of IMU
4:45
Real-time Flight Experiment
7:11
Results