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.

Gerçek Zamanlı Uçuş Kontrolü: Gömülü Sensör Kalibrasyonu ve Veri Toplama

0 görüntüleme08:36 dk

Bu prosedür, IMU ve ADS sensör kalibrasyonunu ve uçuş bilgisayarlarıyla entegrasyonunu gösterecek ve bir açık hava uçuş tesisinde kullanılan entegre INS ve ADS veri toplama ve işlemenin kullanımını gösterecektir. Michigan Üniversitesi'nin M-Air ağlı uçuş test tesisinde çalışan bir quadrotor için uçtan uca uçuş kontrolü gösterildi.

1. Sensör Kalibrasyonu: Atalet Ölçüm Birimi (IMU)

Sensör kalibrasyonu, yüksek kaliteli test ekipmanlarının desteğiyle gerçekleştirildiğinde en etkilidir. 3 eksenli IMU için, hassas bir oran tablosu kullanarak her eksen için hız jiroskopunu ve ivmeölçeri ayrı ayrı kalibre edin (Şekil 6). Oran tablosu, kullanıcı tanımlı bir açısal hızda hassas bir şekilde döner. Kullanıcı, IMU'nun sensör kalibrasyonu için gereken verileri topladığı bir dizi hız komutu verir. Bu nedenle, aşağıda açıklanan tek eksenli kalibrasyon deneyi, her IMU sensör ekseni için bir kez olmak üzere üç kez tekrarlanır (x, y, z).

IMU'yu, kalibre edilmekte olan sensör ekseni radyal olarak içe veya dışa doğru yönlendirilecek şekilde oran tablosuna monte edin.
Tablonun merkezinden IMU merkezinin merkezine olan mesafeyi ölçün. Bu, dairesel hareket için referans yarıçapıdır.
DAQ bilgisayarını, IMU'yu ve pili doğrudan oran tablosuna monte edin ve tüm bileşenleri doğrudan bağlayın.
IMU hızı ve hızlanma verilerini toplamak için yazılım kurun.
Oran tablosu hareketsizken, hız jiroskopu ve ivmeölçer önyargı değerlerini kaydedin.
Farklı pozitif ve negatif sabit oran tablosu dönüş oranlarıyla bir dizi deney yapın. Sensör kalibrasyonlarının doğrusal olması beklenir. 0 (taban çizgisi), ±15, ±30 ve ±60 derece/saniye hızlarında veri alın. Tablo daha hızlı dönebilir, ancak seçilen değerler tipik İHA uçuş operasyonlarında beklenen sinyalleri karşılamak için yeterlidir.
Yukarıda listelenen her açısal hız değeri için kalibre edilen hız jiroskopu ve ivmeölçerden veri toplayın. Sabit bir oranın korunmasını sağlamak için her rotasyon hızı veri toplanmadan önce belirlenmelidir. Veri toplama hızının en az 30 - 100 Hz olduğunu varsayarak 10 - 15 saniye boyunca veri toplayın ve bozulmaların nihai kalibrasyon değerlerinden filtrelenebilmesini sağlayın.
IMU'nun bağlantısını kesip oran tablosundan çıkarın ve kalibre edilmekte olan ivmeölçer aşağıyı gösterecek şekilde yönlendirin.
Bilgisayar sistemi üzerinden +1g veri toplayın.
IMU'yu, kalibre edilmekte olan ivmeölçer yukarı bakacak ve bilgisayar sistemi aracılığıyla -1g verilerini toplayacak şekilde çevirin. Bu ekstra veri noktalarının elde edilmesi kolaydır ve ±1g'deki oran tablosu verilerinden elde edilen her bir doğrusal kalibrasyon eğrisini doğrulamak için kullanılabilir. 1g değeri, doğru bir şekilde kalibre etmek için özellikle önemlidir, çünkü doğrusal ivmeölçer verileri, quadcopter gövdesine göre "aşağı" yönü belirlemek için kullanılır.
Verileri işleyin. Elde edilen voltajları MKS birim dönme hızları (jiroskop) ve doğrusal ivmeler (ivmeölçer) ile ilişkilendiren jiroskop ve ivmeölçer veri noktaları için doğrusal eğri uyumları geliştirin. Kalibrasyon hatasının yeterince düşük olduğunu onaylayın. Oran tablosunun, jiroskop kalibrasyonu için açısal hızın doğrudan kontrolünü sağladığını unutmayın. Dairesel hareketin merkezcil kuvveti tarafından indüklenen karşılık gelen ivme, a,, belirtilen açısal hızdan ω ve IMU'nun yarıçapı r oran tablosundan hesaplanabilir. center:
(9)

2. Quadrotor Uçuş Deneyleri

Son deney serimiz için, IMU ve pitot sistemini bir quadrotor üzerine monte ediyoruz (Şekil 7'de gösterilmiştir) ve Michigan Üniversitesi'nin M-Air ağlı uçuş tesisinde uçuyoruz. Araç, Ardupilot açık kaynaklı otopilot paketinin bir portu aracılığıyla Beaglebone Blue'ya (mikroişlemci kullanılmaz) stabilize edilir ve uçuştan önce Mission Planner yer istasyonu yazılımı aracılığıyla yapılandırılır. Bir radyo kontrol verici/alıcı arayüzü, pilotun quadrotor irtifası, yan yana hareket ve Ardupilot'un quadrotor dönüş açısını, eğim açısını, sapma açısını (yön) ve irtifayı düzenleyen "iç döngü" uçuş kontrol yasasına doğru ilerlemek için "dış döngü" komutları vermesini sağlar. [14]

Bir quadrotor stabilize etmek için hava hızı geri bildirimi gerektirmediğinden, Ardupilot, pilot girdileri verilen uçuşu stabilize etmek için yalnızca IMU verilerine ve kalkış irtifa basıncına göre program başlatma sırasında kalibre edilen irtifa için bir basınç sensörüne güvenir. Ardupilot'un tamamen otonom bir uzantısı, GPS veya diğer algılama sistemlerinden (örneğin, yüksek hızlı hareket yakalama) atalet konumu verileri gerektirir. Deneylerimiz kısıtlı ortamlarda quadrotorlarla gerçekleştirildiğinden, pitot hava veri sistemi gerekli değildir. Bununla birlikte, pitot sistemleri, belirsiz rüzgarlı ortamları takip ederek kesin uçuş yolları deneyen sabit kanatlı uçaklar ve multikopterler için gereklidir. [15, 16] Uçuş testi prosedürü üç aşamaya ayrılmıştır: uçuş öncesi, uçuş testi ve uçuş sonrası. Bu alt bölüm, iyi kurulmuş kokpit kontrol listelerinin kullanılması yoluyla insanlı uçak pilotları tarafından izlenen prosedürlere benzer. [17]

Uçuş öncesi

Pilleri şarj edin ve kurulumdan önce test edin.
Net bir test ortamı oluşturun (iç veya dış mekan) ve ilgisiz kişilerin temiz kalmasını sağlamak için alanı işaretleyin.
Uçuş testi ekibinin planlanan testi gerçekleştirmek için bilgilendirildiğinden ve kalifiye (eğitimli) olduğundan emin olun.
Açık havada uçuyorsanız, uçağın ve pilotun FAA yönetmeliklerine göre kayıtlı ve sertifikalı olduğundan emin olun. Açık hava testi için en az üç kişi gereklidir: Sorumlu pilot (PIC), görsel gözlemci (VO) ve yer istasyonu operatörü. Testlerimiz için, quadrotor açık havada ağlı bir tesiste uçacak. İki ip operatörü, aracın iç mekan testi için uçup gitmemesini sağlayacaktır. İHA açık bir açık alanı işgal etmediğinden, net uçuş testi için özel bir FAA düzenlemesinin geçerli olmadığını unutmayın.
Uçuş bilgisayarını ve yer istasyonu dizüstü bilgisayarını açın.
Sensörlerin düzgün çalıştığından emin olmak için ön verileri toplayın. Pilot ve destek ekibi, uçuş planının net bir şekilde anlaşıldığından ve iptal/kurtarma prosedürlerinin yürürlükte olduğundan emin olmalıdır.

Uçuş Testi

Yer istasyonunda veri toplamaya başlayın.
Uçuş alanının temiz/güvenli olduğunu onaylayın.
Kol iticileri/motorları.
Uçuş testi dizisini başlatın.
Pilotun en az aşağıdakiler dahil olmak üzere her adımı söylediği uçuş testini gerçekleştirin:
kalkış (fırlatma), uçuş modu değişiklikleri, bilinen ara nokta hedefleri veya manevraları ve iniş. Tüm personelin görevde olduğundan emin olun ve gerektiğinde acil durum prosedürlerini (uçuş sonlandırma) uygulayın. Ara noktalar ve yörüngeler her uçuşa özeldir. Quadrotor deneyi için, sabit bir irtifa ve istikamette orta derecede agresif çapraz ve dikdörtgen kalıpları takip ediyoruz, ardından bir tırmanış / iniş ve ardından bir yalpalama dizisi izliyoruz. Bu uçuştaki açısal hızlar ve doğrusal ivmeler verilerde kolayca tanımlanır ve IMU ve uçuş kontrolörünün doğru çalıştığını doğrular.

Uçuş sonrası

Yanlışlıkla açılmayacaklarından emin olmak için motorları devre dışı bırakın.
Uçuş verilerini kaydedin ve arşiv deposuna indirin.
Pilot, VO ve yer istasyonu operatörü geri bildirimine göre uçuşu kelimelerle kaydedin.
Pilleri kontrol edin ve gerektiği gibi şarj edin.
Ekipmanı kurtarın ve bir sonraki yolcu için alanı temizleyin.