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.

Управление полетом в режиме реального времени: встроенная калибровка датчиков и сбор данных

0 views08:36 min

Эта процедура проиллюстрирует калибровку и интеграцию датчиков IMU и ADS с бортовыми компьютерами, а также продемонстрирует использование интегрированных сборов и обработки данных INS и ADS в условиях полетов на открытом воздухе. Демонстрируется сквозное управление полетом квадрокоптера, работающего в испытательном центре M-Air Мичиганского университета.

1. Калибровка датчика: инерциальный измерительный блок (IMU)

Калибровка датчика наиболее эффективна при поддержке высококачественного испытательного оборудования. Для 3-осевого IMU откалибруйте гироскоп скорости и акселерометр для каждой оси отдельно с помощью таблицы прецизионных скоростей (Рисунок 6). Таблица скоростей вращения точно вращается с заданной пользователем угловой скоростью. Пользователь выдает серию команд скорости, во время которых IMU собирает данные, необходимые для калибровки датчика. Таким образом, описанный ниже эксперимент по калибровке одной оси повторяется три раза, по одному разу для каждой оси датчика IMU (x, y, z).

Установите IMU на таблицу скоростей таким образом, чтобы ось калибруемого датчика была направлена радиально внутрь или наружу.
Измерьте расстояние от центра стола до центра IMU. Это исходный радиус для кругового движения.
Установите компьютер сбора данных, IMU и аккумулятор непосредственно в таблицу тарифов и подключите все компоненты напрямую.
Настройте программное обеспечение для сбора данных о скорости IMU и ускорении.
Пока таблица скоростей неподвижна, записывайте значения гироскопа скорости и смещения акселерометра.
Проведите серию экспериментов с различными положительными и отрицательными скоростями вращения таблицы с постоянной скоростью. Ожидается, что калибровка датчиков будет линейной. Сбор данных со скоростью 0 (базовый уровень), ±15, ±30 и ±60 градусов в секунду. Таблица может вращаться с более высокой скоростью, но выбранных значений достаточно для покрытия сигналов, ожидаемых в типичных полетах БПЛА.
Соберите данные с гироскопа скорости и акселерометра, которые калибруются для каждого значения угловой скорости, перечисленного выше. Скорость каждого оборота должна быть установлена до сбора данных, чтобы обеспечить поддержание постоянной скорости. Собирайте данные в течение 10–15 с, предполагая, что скорость сбора данных составляет не менее 30–100 Гц, чтобы гарантировать, что помехи могут быть отфильтрованы из окончательных значений калибровки.
Отсоедините и извлеките IMU из таблицы скоростей и расположите его так, чтобы калибруемый акселерометр был направлен вниз.
Сбор данных +1g через компьютерную систему.
Переверните IMU так, чтобы калибруемый акселерометр был направлен вверх, и соберите данные -1g через компьютерную систему. Эти дополнительные точки данных легко получить и они могут быть использованы для проверки каждой линейной калибровочной кривой, полученной из данных таблицы скоростей при ±1g. Значение 1g особенно важно для точной калибровки, поскольку данные линейного акселерометра используются для определения направления «вниз» относительно корпуса квадрокоптера.
Обрабатывайте данные. Разработка подгонки линейной кривой для точек данных гироскопа и акселерометра, которая связывает приобретенные напряжения со скоростями вращения блока MKS (гироскопом) и линейными ускорениями (акселерометром). Убедитесь, что погрешность калибровки достаточно низкая. Обратите внимание, что таблица скоростей обеспечивает прямое управление угловой скоростью для калибровки гироскопа. Соответствующее ускорение, a,, вызванное центростремительной силой кругового движения, может быть вычислено из заданной угловой скорости ω и радиуса r IMU из центра таблицы скоростей:
(9)

2. Эксперименты по полету квадрокоптера

Для нашей заключительной серии экспериментов мы устанавливаем систему IMU и Пито на квадрокоптер (показан на рисунке 7Рисунок 7) и летаем в летном комплексе M-Air Мичиганского университета. Транспортное средство стабилизируется через порт автопилота с открытым исходным кодом Ardupilot на Beaglebone Blue (микропроцессор не используется) и настраивается перед полетом с помощью программного обеспечения наземной станции Mission Planner. Радиоуправляемый интерфейс передатчика/приемника позволяет пилоту подавать команды «внешней петли» для высоты квадрокоптера, движения из стороны в сторону и курса на «внутреннюю петлю» Ardupilot, регулирующую угол крена квадрокоптера, угол тангажа, угол рыскания (курс) и высоту. [14]

Поскольку квадрокоптеру не требуется обратная связь по воздушной скорости для стабилизации, Ardupilot полагается только на данные IMU плюс датчик давления для высоты, который калибруется во время инициализации программы относительно давления на высоте взлета, для стабилизации полета с учетом входных данных пилота. Для полностью автономного расширения Ardupilot требуются инерциальные данные о местоположении от GPS или другой сенсорной системы (например, высокоскоростной захват движения). Поскольку наши эксперименты проводились с квадрокоптерами в ограниченных условиях, система воздушных данных Пито не требуется. Тем не менее, системы Пито необходимы для самолетов и мультикоптеров, пытающихся точно проложить траектории полета в условиях неопределенной погоды. [15, 16] Процедура летных испытаний разделена на три этапа: предполетный, летный и послеполетный. Это подразделение аналогично процедурам, которым следуют пилоты пилотируемых летательных аппаратов с использованием хорошо зарекомендовавших себя контрольных списков кабины. [17]

Перед полетом

Зарядите аккумуляторы и проверьте их перед установкой.
Обеспечьте четкую тестовую среду (в помещении или на улице) и отметьте зону, чтобы посторонние люди оставались на свободе.
Убедитесь, что команда летных испытаний проинструктирована и квалифицирована (обучена) для проведения запланированных испытаний.
Если вы летите на открытом воздухе, убедитесь, что самолет и пилот зарегистрированы и сертифицированы в соответствии с правилами FAA. Для проведения испытаний на открытом воздухе требуется минимум три человека: командир воздушного судна (PIC), визуальный наблюдатель (VO) и оператор наземной станции. Для наших тестов квадрокоптер будет летать в сетчатом объекте на открытом воздухе. Два оператора троса гарантируют, что транспортное средство не сможет улететь для испытаний в помещении. Обратите внимание, что никакие конкретные правила FAA не применяются к летным испытаниям с сеткой, поскольку БПЛА не занимает открытое открытое пространство.
Включите бортовой компьютер и ноутбук с наземной станцией.
Соберите предварительные данные, чтобы убедиться в правильной работе датчиков. Пилот и вспомогательная команда должны обеспечить четкое понимание плана полета и наличие процедур прерывания/восстановления.

Летный тест

Запуск сбора данных на наземной станции.
Убедитесь, что зона полета свободна/безопасна.
Подруливающие устройства/двигатели на рычаге.
Начало последовательности летных испытаний.
Проведите летный тест, в котором пилот выкрикивает каждый шаг, включая, как минимум:
взлет (запуск), изменение режима полета, известные путевые точки целей или маневры, а также посадка. Убедитесь, что весь персонал выполняет задачу, и выполняйте аварийные процедуры (прекращение полета) по мере необходимости. Путевые точки и траектории специфичны для каждого рейса. В эксперименте с квадрокоптером мы следуем умеренно агрессивным поперечным и прямоугольным паттернам на постоянной высоте и в постоянном направлении, за которыми следует набор высоты/снижение, а затем последовательность рысканья. Угловые скорости и линейные ускорения в этом полете легко идентифицируются в данных, и они подтверждают, что IMU и полетный контроллер функционируют правильно.

После полета

Снимите моторы с охраны, чтобы они случайно не включились.
Сохраняйте и загружайте данные о полетах в архивное хранилище.
Протоколируйте полет прописью в соответствии с отзывами пилота, озвучивания и оператора наземной станции.
Проверьте батареи и зарядите их по мере необходимости.
Соберите оборудование и очистите территорию для следующего жильца.