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

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).

1. Установите IMU на таблицу скоростей таким образом, чтобы ось калибруемого датчика была направлена радиально внутрь или наружу.
2. Измерьте расстояние от центра стола до центра IMU. Это исходный радиус для кругового движения.
3. Установите компьютер сбора данных, IMU и аккумулятор непосредственно в таблицу тарифов и подключите все компоненты напрямую.
4. Настройте программное обеспечение для сбора данных о скорости IMU и ускорении.
5. Пока таблица скоростей неподвижна, записывайте значения гироскопа скорости и смещения акселерометра.
6. 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.
7. 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.
8. Отсоедините и извлеките IMU из таблицы скоростей и расположите его так, чтобы калибруемый акселерометр был направлен вниз.
9. Сбор данных +1g через компьютерную систему.
10. 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.
11. 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

1. Зарядите аккумуляторы и проверьте их перед установкой.
2. Обеспечьте четкую тестовую среду (в помещении или на улице) и отметьте зону, чтобы посторонние люди оставались на свободе.
3. Убедитесь, что команда летных испытаний проинструктирована и квалифицирована (обучена) для проведения запланированных испытаний.
4. 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.
5. Включите бортовой компьютер и ноутбук с наземной станцией.
6. 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

6. Запуск сбора данных на наземной станции.
7. Убедитесь, что зона полета свободна/безопасна.
8. Подруливающие устройства/двигатели на рычаге.
9. Начало последовательности летных испытаний.
10. 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

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