בקרת טיסה בזמן אמת: כיול חיישנים משובצים ורכישת נתונים

מטוסים חייבים לאזן את כוחותיהם ורגעיו באמצעות אווירודינמיקה ומערכות הנעה. כפי שניתן לראות באיור 1a, מטוס בעל כנף קבועה מאזן ארבעה כוחות בטיסה קבועה: מעלית אווירודינמית, גרירה אווירודינמית, דחף מערכת הנעה ומשקל. מטוס בעל כנף קבועה מתנדנד למעלה או למטה, לטפס או לרדת, ולהתגלגל שמאלה או ימינה כדי לפנות לכותרת חדשה.

כפי שמוצג באיורים 1b ו- 1c, רב-תכליתי מרחף חייב לאזן את הדחף כלפי מעלה שנוצר על ידי יחידות המדחפים עם משקלו, בעוד מולטי-קופטר עף במהירות ניכרת מסתובב כך שהדחף שלו מאזן גרירה אווירודינמית. כדי להשיג טיסה יציבה, המטוס חייב גם לאזן רגעים על כל שלושת הצירים. סיבובים מוגדרים עם המוסכמות הבאות לטיסה תלת מימדית (תלת-ממדית):

1. גליל (Φ) – סיבוב על הציר המצביע לכיוון החלק הקדמי של הרכב (x), וכתוצאה מכך תנועה מצד לצד
2. גובה (θ) – סיבוב על הציר הפועל משמאל לימין (y), וכתוצאה מכך תנועת הטיה קדימה ואחורה
3. יאו (Ψ) – סיבוב על הציר האנכי (z), אשר גורם לשינוי זווית הכותרת

מערכת בקרת טיסה מנפיקה פקודות מוטוריות ומשטחי בקרה המייצבים את גליל המטוס, גובה, הגישה של הפטירה וכוחות האיזון, כפי שמוצג באיור 1. יש לעדכן את הפקודות באופן אמין ובזמן אמת כדי להבטיח שהמטוס יכול לתקן הפרעות כגון רוח. כדי להשיג ולשמור על גישה שנקבעה, מערכת הבקרה חייבת לשמור על הערכה מדויקת של יחס המטוס (רול, המגרש, יאו) כמו גם את השינויים בגישה לאורך זמן (מהירויות זוויתיות). מכיוון שכוחות כגון הרמה וגרירה תלויים באופן קריטי בזרימת האוויר, נדרשת חישה נוספת כדי לקבוע את מהירות האוויר (V באיור 1) ואת כיוון זרימת האוויר ביחס למטוס. כדי לעקוב אחר מסלול שנקבע, על המטוס לחוש גם את מיקומו באמצעות חיישן כגון GPS, חיישני מטוסים המאפשרים בקרת טיסה מוצגים באיור 2.

לאחר רכישת הנתונים מחיישנים, האותות מסוננים כדי להפחית את ההשפעה של רעש וחשיכים על איכות הנתונים המעובדים. לאחר מכן הנתונים מצטברים להערכה מלאה של מצב המטוס, כולל עמדות תלת-ממד, מהירויות ליניאריות, אוריינטציה (גישה) ומהירויות זוויתיות. מצב המטוס נשלח לבקר הטיסה, אשר מעדכן פקודות על מדחפי המטוסים ו/או משטחי בקרה לתצורות בעלות כנף קבועה.

חיישני מטוסים

מטוסים, כולל כנף קבועה ומולטי-קופטר, מסתמכים על חבילת חיישנים המכונה יחידת מדידה אינרציאלית (IMU) כדי לקבוע את יחס המטוס התלת-ממדי ואת המהירות הזוויתית. IMU מורכב בדרך כלל משלושה סוגי חיישנים: מדי תאוצה למדידת תאוצה ליניארית; קצב ג'ירוסקופים (ג'ירואים) למדידת מהירות זוויתית; וחיישני שדה מגנטי למדידת הכיוון והעוצמה של השדה המגנטי המקומי. IMU בעל שלושה צירים, כפי שמודגם באיור 3, מוגדר עם מערכת קואורדינטות ייחוס תלת-צירית. בסך הכל תשעה אלמנטים חישה, כולל שלושה מדי תאוצה, שלושה ג'ירואים בקצב ומגנומטר תלת-צירי, מספקים מדידות עצמאיות של תאוצה ליניארית (גרזן, ay ו- az), מהירות זוויתית (ωx, ωy, ωz) ושדה מגנטי (mx, my ו- mz). IMU מותקן בדרך כלל ליד מרכז הכובד של המטוס (CG), כאשר צירי החיישנים מיושרים עם צירי גוף המטוס, כפי שמוצג באיור 3.

חבילות חיישני IMU קטנות זמינות כעת בעלות נמוכה. כל חיישן פולט מתח אנלוגי, אשר לאחר מכן ניתן לעבד באופן מקומי או נשלח ישירות למחשב טיסה, כמתואר להלן. מערכת ניווט אינרציאלית משולבת (INS) משלבת IMU עם מקלט GPS. יחידות GPS מתרגמות באופן פנימי אותות לוויין להערכות של מיקום אינרציאלי על כדור הארץ, למשל, קו רוחב, קו אורך, גובה ומהירות ליניארית תלת-ממדית של המטוס המיוצג במסגרת קואורדינטות מקומית כגון NED (צפון-מזרח-דאון). IMU לבדו מסוגל לייצב את יחס המטוסים; עם זאת, עם INS, מטוס יכול לעקוב אחר מסלול טיסה שנקבע.

מכיוון שכוחות אווירודינמיים תלויים מאוד במהירות האוויר, V, מטוסים בעלי כנף קבועה דורשים מדידות של זרימת האוויר לביצועים טובים של בקר הטיסה. מדידות זרימה נאספות באמצעות מערכת נתוני אוויר (ADS). במטוסים בקנה מידה קטן, לעתים קרובות רק מסלול אוויר נמדד. במטוסים בעלי ביצועים גבוהים נדרשות מדידות של כיוון ומהירות זרימה.

מערכת פיתות-סטטית בסיסית [4], המשמשת למדידת מידת טיסה של מטוסים, V,מוצגת באיור 4. צינור הפיתות עצמו יש חור מרכזי הפונה ישירות לתוך הזרימה המתקרבת. החור הזה מחובר דרך צינור מרכזי ליציאה אחת של חיישן לחץ דיפרנציאלי. ארבעה חורים במרווחים שווים סביב החלק החיצוני של צינור הפיתות מחוברים דרך צינור היקפי יחיד לנמל השני של החיישן הדיפרנציאלי. הצינור המרכזי מודד קיפאון או לחץ מוחלט, P_T, שהוא לחץ האוויר בנקודה שבה מהירות הזרימה היא אפס. הצינור החיצוני מודד לחץ אוויר סטטי, P_S, אשר קשורה לזרימה הנעה במהירות אוויר חופשית, V. לחץ משולב מארבע היציאות ההיקפיות ממוצע ארבע מדידות לחץ סטטי להסביר אי התאמה זרימה עם צינור פיתות, כמו גם מערבולת זרימה קלה. מסלול האוויר מחושב מהמשוואה של ברנולי בהתחשב בצפיפות אטמוספרית ρ:

    (1)

לחץ דינמי (דיפרנציאלי) הנמדד על ידי מערכת צינור פיתות ניתן לאחר מכן על ידי:

(2)

Airspeed, V, ניתנת לאחר מכן על ידי:

    (3)

בדיקה בת חמישה גומות [5], המוצגת באיור 5,מספקת את היכולת למדוד את זווית הזרימה והמהירות של הזרם החופשי. בדיקה זו, הרחבה של מערכת הפיתות-סטטית הבסיסית, מודדת גם P_T מצינור מרכזי. ארבע יציאות אחרות מעל ו/או מתחת לכל צד של יציאת הלחץ הכוללת המרכזית מתחברות בדרך כלל ליחישני לחץ מוחלטים. זווית ההתקפה, α, התואמת את זווית המגרש θ במהלך הטיסה ברמה, מחושבת פונקציה המשווה את מדידות הלחץ העליון והתחתון:

    (4)

פונקציית הכיול, , נקבעת על ידי הצבת הגשושית בת חמשת הגומות לתוך מנהרת רוח (קטנה), ולאחר מכן עקומה המתאימה לנתוני לחץ מנהרת הרוח על פני סדרה של תנאי תקיפה ידועים בין ערכי הטיסה המינימליים למקסימום הצפויים עבור α. באופן דומה, זווית זרימת הצד (sidelip) β, שהיא בדרך כלל קטנה, מחושבת כפונקציה המשווה את מדידות הלחץ השמאלי והימיני:

(5)

באופן דומה, פונקציית הכיול נקבעת על ידי נתוני לחץ מנהרת רוח תואמי עקומה שנאספו על פני סדרה של תנאי זווית צדדית ידועים בין ערכי הטיסה המינימליים למקסימום הצפויים עבור β.

ה- IMU וה- ADS מאפשרים למטוס לחוש בגישה שלו, במהירויות הזוויתיות ובמהירות האוויר שלו (ופוטנציאל לכיוון). יחידת GPS, המחוברת בדרך כלל באמצעות INS מחוץ למדף או ממשק GPS נפרד בלבד למחשב טיסה, מספקת מדידות של מיקום אינרציאלי ומהירות. יחידת GPS [6] אורגת נתוני זמן הגעה מלוויינים מרובים כדי להעריך את מיקום המקלט מהטריאנגולציה. GPS בסיסי יש דיוק מיקום בסדר של 1-3 מטר בשטחים פתוחים; רוב כטב"מים מארחים יחידות GPS בסיסיות. GPS יכול גם לקבל אותות מערכת אוגמנטציה מרחבית (WAAS) [7] ממקור אותות באזור מקומי המפחיתים שגיאות הערכת מיקום אל מתחת למטר. מיקומי GPS נמדדים במערכת הקואורדינטות של כדור הארץ, בדרך כלל LLA (קו רוחב, קו אורך, גובה). GPS מספק גם מדידה מקומית של מהירות התלת-ממד של מטוס ביחס לכדור הארץ במערכות קואורדינטות מבוססות NED (צפון-מזרח-דאון) או ENU (מזרח-צפון-למעלה). יחידות GPS מחשבות באופן פנימי מידע מיקום ומהירות ומעבירות ערכים אלה למחשב טיסה מובנה.

GPS מאפשר למטוס לעקוב אחר תוכנית טיסה המתוארת על ידי נקודות ציון במסגרת קואורדינטות קבועות לכדור הארץ. משימות רבות, למשל, מעקב כטב"ם קטן, דורשות מהטב"ם לנווט ביחס לסביבה מקומית. לשם כך, המל"ט עדיין עשוי לשאת מקלט GPS אך יסתמך על חיישנים מובנים כגון מצלמות, מכ"ם או לידאר, כדי לנווט ביחס לסביבה מקומית. חוקרים רבים חקרו ניווט כטב"ם ביחס לסביבה מקומית באמצעות חיישנים מובנים, כגון ביישומים של חיפוש והצלה [8] ולוקליזציה של כטב"ם קטן בסביבת קניון עירונית שבה קליטת אותות GPS אינה אמינה [9].

רכישת נתונים (DAQ) וכיול חיישנים

כל חיישן IMU ו- ADS פולט מתח אנלוגי העובר דרך ממיר אנלוגי לדיגיטלי (A/D) ולאחר מכן מעבד דיגיטלי או מיקרו מעבד. המרת מיזוג אוויר יכולה להתבצע ישירות במחשב הטיסה, או שמיקרו-מעבד ייעודי יכול לבצע המרת מז יתד ולשחזר נתונים. מכיוון שהאות הולך לאיבוד על חוטי אות ארוכים, כדאי לבצע המרת מיזוג אוויר קרוב למקור אות החיישן. לכן, הודעות מיידיות מודרניות רבות מטמיעים מיקרו מעבד ומשדרים קריאות מתח דיגיטליות באמצעות חיבור טורי (ללא אובדן נתונים). לדוגמה, MPU-9250 מארח את תשעת חיישני ה- IMU (3 מדי תאוצה, 3 ג'ירואים בקצב, מגנטומטר תלת-צירים) ומיקרו מעבד בלוח מעגלים מודפס יחיד. נתונים שנאספו מופצים לאחר מכן למחשב הטיסה באמצעות חיבור טורי I2C [10].

בהדגמה זו, אנו ממחישים את השימוש ב- IMU עם חיבור I2C ואיסוף ישיר של נתונים אנלוגיים במחשב הטיסה באמצעות שתי פלטפורמות מחשוב משובצות: מערכות יהלומים אתנה II וכחול ביגלבון. הם נבחרו בשל יכולות ממשק החומרה המגוונות שלהם. שניהם קלים ויש להם גורם צורה קטן המתאים להתקנה על כטב"ם קטן. אתנה II הוא מוצר מבוסס היטב; חוזקו הוא ברזולוציית נתונים ברזולוציה גבוהה (16 סיביות A/D), אשר עם מערכת ההפעלה הקלה של QNX Neutrino בזמן אמת, מבטיחה רכישת נתונים אמינה עד 3 קילו-הרץ. ביגלבון בלו, המפעיל גרסה של לינוקס, כולל ממיר A/D ברזולוציה נמוכה יותר, אך הוא מתממשק למגוון מכשירים סדרתיים, כולל I2C. ה- Beaglebone הוא בעלות נמוכה, יש לו מעבד מהיר יותר, והוא תואם ליישומים רבים המבוססים על לינוקס. זוהי, אם כן, בחירה טובה יותר לשימוש כללי לניסויים בעלות נמוכה. אתנה II משמשת בניסוי זה כדי להדגים את התועלת שלה בלכידת נתוני חיישנים ישירות עם יישום לרכישת נתוני טיסה מבוססי מחקר, כגון בפלטפורמת כטב"ם ניסיונית גמישה [11].

לפני הפריסה לבקרת טיסה, יש לכייל כראוי את חיישני IMU ו- ADS. כיול מקצה לקצה מהווה שינוי קנה מידה והטיה של מתח כאשר יציאת החיישן הפיזי עוברת דרך ממיר ה- A/D למחשב ולאחר מכן מתורגמת ליחידות MKS (מטר קילוגרם שניה):

(6)

כאשר האות שנרכש, ב- volts, הוא לקזז על ידי מתח הטיה, b, ולאחר מכן הוא קנה מידה על ידי גורם m לקריאת יחידת MKS, . הודעות מיידיות עם ממשק טורי עשויות לספק אפשרויות לאיסוף קריאות ביחידות וולט או ביחידות MKS בהתבסס על הכיול של היצרן. נתוני חיישן שנרכשו ישירות עבור IMU או ADS דורשים קריאת ערך שלם מכל ערוץ A/D (בספירות), המתורגם לקריאת מתח בנקודה צפה בהתבסס על הרזולוציה של ממיר A/D (לדוגמה, 12 סיביות או 16 סיביות) וטווח מתח בקנה מידה מלא. כדי להסביר חוסר סייג בין כיולים של חיישנים המוגדרים כברירת מחדל לבין תהליך המרת המז"פ, בדרך כלל כדאי לכייל את IMU ו- ADS לאחר שילוב מלא בצנרת DAQ.

עבור ה- IMU, מתחי תאוצה משתנים לקריאה ביחס לאפס תאוצה במטרים לשנייה בריבוע, ומתחים הג'ירו של הקצב מוקטנים לקריאה ביחס למהירות זוויתית אפס ברדיאנים לשנייה. כיול של מגנטומטר דורש תהליך זהיר יותר המהווה מקורות הפרעה מקומיים [12]. בניסוי זה, אנו ממחישים את השימוש בטבלת קצב לכיול ג'ירואים ומדים של תאוצה. שים לב כי בסביבות מורכבות, מגנטומטר לא יכול להיות מדויק למרות המאמצים הטובים ביותר בכיול; במקרים אלה, הכותרת נקבעת באמצעים חלופיים, למשל, התחשבות בכותרת וקטור מהירות GPS.

סינון אותות

אותות חיישן מכילים בהכרח רעש חשמלי כמו גם רעש ממקורות פיזיים, כגון רטט מבני בטיסה. רעש כזה בדרך כלל לובש צורה של חריגים בודדים בנתונים ורעש בתדר גבוה; ניתן להחריף את שניהם באמצעות סינון אותות ברמה נמוכה. בניסויים שלנו מוחלים שני מסנני אותות חיישן מיושמים בדרך כלל [13]: מסנן ממוצע נע להחלשת רעש בתדר גבוה ומסנן חציוני כדי לדחות חריגות אותות מאותות רציפים של ערוץ יחיד, או "מלח ופלפל", מתמונות. הממוצע הנע הפשוט מעריך את האות הנוכחי כערך הממוצע של ערכי n הנתונים שנרכשו לאחרונה בתרחיש שליטה בזמן אמת; לאחר העיבוד, כל אות מוערך ממספר שווה של נקודות נתונים קודמות ועתידיות כדי למנוע השפעות של שינוי זמן. לפיכך, האומדן הממוצע הנע בזמן אמת שאינו משקל עבור בקרת טיסה ניתן על-ידי:

(7)

כאשר הוא ערך נתוני חיישן יחיד בשלב k-i בזמן והוא ההערכה הממוצעת הנעה עבור שלב הזמן k. ערך גדול עבור n מבטל ביעילות רעש בתדר גבוה אך יש לו את החסרונות של החדרת עיכוב זמן להערכות אותות. זה יכול גם לסנן אותות אמיתיים, ארעיים. כדי למזער את ההשפעה של נתונים ישנים על הערכות ממוצעות נעות, הנתונים משוקללים לעתים קרובות באופן ליניארי או אקספוננציאלי, כך שנקודות הנתונים האחרונות משפיעות על תוצאות הממוצע הנעות יותר מערכי נתונים ישנים יותר.

המסנן החציוני עבור אותות בערוץ יחיד הוא פשוט. ערכי הנתונים הגולמיים האחרונים של d נאספים במערך או בערכה, ואז המוחזר החציון, כלומר הערך האמצעי או הממוצע של שני הערכים האמצעיים שניתנו להם מספר זוגי של ערכים:

(8)

כאשר הוא ערך נתונים של חיישן יחיד והוא הפלט המסונן החציוני בשלב k. נתונים הכפופים הן לרעש בתדר גבוה והן למסננים חריגים מעובדים לעתים קרובות ברצף הן באמצעות מסננים חציוניים והן באמצעות מסננים ממוצעים נעים. כדי למנוע מחצאים להשפיע על התוצאה הממוצעת הנעה, המסנן החציוני מוחל בדרך כלל תחילה. ערכים עבור n ו- d מוגדרים על-ידי המשתמש אך הם בדרך כלל בטווח [3, 10] אלא אם כן הנתונים נרכשים בשיעורים גבוהים בהרבה מאלה המשמשים בהחלטות בקרה.

הליך זה ימחיש כיול ואינטגרציה של חיישני IMU ו- ADS עם מחשבי טיסה וידגים את השימוש ברכישת ועיבוד נתוני INS ו- ADS משולבים באמצעות מתקן טיסה חיצוני. בקרת טיסה מקצה לקצה עבור מרובע הפועל במתקן מבחן הטיסה M-Air של אוניברסיטת מישיגן מוצגת.

1. כיול חיישנים: יחידת מדידה אינרציאלית (IMU)

כיול חיישנים הוא היעיל ביותר כאשר הוא מבוצע עם תמיכה מציוד בדיקה באיכות גבוהה. עבור ה- IMU בעל 3 הצירים, כייל את ג'ירו הקצב ומד התאוצה עבור כל ציר בנפרד באמצעות טבלת קצב מדויקת (איור 6). טבלת הקצב מסתובבת במדויק במהירות זוויתית המוגדרת על-ידי המשתמש. המשתמש מנפיק סדרה של פקודות קצב, שבמהלכה ה- IMU אוסף את הנתונים הדרושים לכיול חיישנים. ניסוי הכיול בעל הציר הבודד המתואר להלן חוזר על עצמו שלוש פעמים, פעם אחת עבור כל ציר חיישן IMU (x, y, z).

1. הר את ה- IMU על טבלת הקצב כך ציר החיישן המכויל מכוון באופן רדיאלי פנימה או כלפי חוץ.
2. מדוד את המרחק ממרכז הטבלה למרכז מרכז IMU. זהו רדיוס הייחוס לתנועה מעגלית.
3. טען את מחשב DAQ, IMU והסוללה ישירות לטבלת התעריפים וחבר את כל הרכיבים ישירות.
4. הגדר תוכנה לאיסוף נתוני קצב IMU ותאוצה.
5. בעוד שטבלת התעריפים היא ללא תנועה, ערכי הג'ירו של קצב הרשומות והטיית מד התאוצה.
6. ערוך סדרה של ניסויים עם שיעורי סיבוב קבועים חיוביים ושליליים שונים. כיול החיישנים צפוי להיות ליניארי. השג נתונים בשיעורים של 0 (בסיסי), ±15, ±30 ו- ±60 מעלות לשנייה. הטבלה יכולה להסתובב בקצבים מהירים יותר, אך הערכים שנבחרו מספיקים כדי לכסות אותות הצפויים בפעולות טיסה טיפוסיות של מל"ט.
7. אסוף נתונים מהקצב של ג'ירו ומד תאוצה המכוילים עבור כל ערך מהירות זוויתית המפורט לעיל. יש לקבוע כל קצב סיבוב לפני איסוף הנתונים כדי להבטיח שמירה על קצב קבוע. אסוף נתונים מעל 10 - 15 s, בהנחה שקצב איסוף נתונים של לפחות 30 - 100 הרץ, כדי להבטיח שניתן יהיה לסנן הפרעות מתוך ערכי כיול סופיים.
8. נתק והסר את ה- IMU מטבלת התעריפים וכוון אותו כך שמטר התאוצה מכויל מצביע כלפי מטה.
9. לאסוף +1g נתונים באמצעות מערכת המחשב.
10. הפוך את ה- IMU כך שמטר התאוצה מכויל מצביע למעלה ואוסף נתוני -1g דרך מערכת המחשב. נקודות נתונים נוספות אלה הן פשוטות להשגה וניתן להשתמש בהן כדי לאמת כל עקומת כיול ליניארי המתקבלת מנתוני טבלת קצב ב- ±1g.  ערך 1g חשוב במיוחד לכיול מדויק מכיוון שנעשה שימוש בנתוני מד תאוצה ליניארי כדי לקבוע את הכיוון "למטה" ביחס לגוף המרובע.
11. עבד את הנתונים. פיתוח עקומה ליניארית מתאימה לנקודות נתונים של ג'ירו ומד תאוצה, המקשרות מתחים נרכשים לשיעורי סיבוב יחידת MKS (ג'ירו) ותאוצות ליניאריות (מד תאוצה). ודא ששגיאת הכיול נמוכה מספיק. שים לב שטבלת הקצב מספקת שליטה ישירה על המהירות הזוויתית לכיול הג'ירו. התאוצה המתאימה, a, המושרה על ידי הכוח הצנטריפטאלי של תנועה מעגלית, ניתן לחשב מן המהירות הזוויתית שצוינה ω ואת r הרדיוס של IMU ממרכז טבלת הקצב:
    (9)

2. ניסויי טיסה מרובעים

לסדרת הניסויים האחרונה שלנו, אנו מרכיבים את מערכת ה- IMU והפיתות על מרובע (מוצג באיור 7) וטסים במתקן הטיסה M-Air של אוניברסיטת מישיגן. הרכב מיוצב דרך יציאה של חבילת הטייס האוטומטי בקוד פתוח Ardupilot אל כחול Beaglebone (לא נעשה שימוש מיקרו מעבד) ומוגדר לפני הטיסה באמצעות תוכנת תחנת הקרקע Mission Planner. ממשק משדר בקרת רדיו/מקלט מאפשר לטייס לספק פקודות "לולאה חוץית" לגובה מרובע, תנועה מצד לצד וכיוון לחוק בקרת הטיסה "הלולאה הפנימית" של ארדופילוט המסדיר זווית גליל מרובע, זווית גובה, זווית יוטה (כותרת) וגובה. [14]

מכיוון שמרובעייה אינה דורשת משוב במהירות אוויר כדי לייצב, Ardupilot מסתמכת רק על נתוני IMU בתוספת חיישן לחץ לגובה, המכויל במהלך אתחול התוכנית ביחס ללחץ גובה ההמראה, כדי לייצב את הטיסה בהינתן תשומות טייס. הרחבה אוטונומית מלאה של Ardupilot דורשת נתוני מיקום אינרציאלי מ- GPS או ממערכת חישה אחרת (למשל, לכידת תנועה במהירות גבוהה). מכיוון שהניסויים שלנו בוצעו עם מרובעים בסביבות מוגבלות, אין צורך במערכת נתוני האוויר של פיטו.  עם זאת, מערכות פיטו חיוניות למטוסים בעלי כנף קבועה ולרב-תכליתי המנסים נתיבי טיסה מדויקים בעקבות סביבות סוערות לא בטוחות. [15, 16] הליך בדיקת הטיסה מחולק לשלושה שלבים: טרום טיסה, מבחן טיסה ולאחר הטיסה. חלוקת משנה זו דומה לנהלים ואחריה טייסים של מטוסים מאוישים באמצעות רשימות בדוקה מבוססות היטב של תא הטייס. [17]

טרום טיסה

1. טען סוללות ובדוק אותן לפני ההתקנה.
2. להקים סביבת בדיקה ברורה (בפנים או בחוץ), ולסמן את האזור כדי להבטיח שאנשים לא מעורבים יישארו ברורים.
3. ודא שצוות בדיקת הטיסה תודרך ומוסמך (מאומן) לבצע את הבדיקה המתוכננת.
4. אם אתם טסים בחוץ, ודאו שהמטוס והטייס רשומים ומאושרים בהתאם לתקנות ה-FAA. לפחות שלושה אנשים נדרשים לבדיקה תחת כיפת השמיים: טייס בפיקוד (PIC), משקיף חזותי (VO) ומפעיל תחנת קרקע. לבדיקות שלנו, הקוואדרוטור יטוס במתקן מרושת בחוץ. שני מפעילי חבל יבטיחו שהרכב לא יכול לטוס לבדיקות פנימיות. שים לב כי אין תקנות ספציפיות של FAA חלות על בדיקות טיסה נטו מכיוון שהמכ"ט אינו תופס שטח חיצוני פתוח.
5. הפעל מחשב טיסה ומחשב נייד של תחנת קרקע.
6. לאסוף נתונים ראשוניים כדי להבטיח כי החיישנים מתפקדים כראוי. הטייס וצוות התמיכה חייבים להבטיח הבנה ברורה של תוכנית הטיסה וכי נהלי ביטול /התאוששות נמצאים במקום.

מבחן טיסה

6. התחל רכישת נתונים בתחנת הקרקע.
7. אשר אזור הטיסה פנוי/בטוח.
8. מדחפי זרוע / מנועים.
9. ליזום רצף מבחן טיסה.
10. ערוך את מבחן הטיסה, כאשר הטייס קורא לכל שלב, כולל כמינימום:
    המראה (שיגור), שינויים במצב טיסה, מטרות נקודת ציון ידועות או תמרונים ונחיתה.  ודא שכל אנשי הצוות נמצאים במשימה ובצעו נהלי חירום (הפסקת טיסה) לפי הצורך. נקודות ציון ומסלולים ספציפיים לכל טיסה. לניסוי הקוואדרוטור, אנו עוקבים אחר דפוסי צלב ומלבניים אגרסיביים בינוניים בגובה ובכיוון קבועים, ולאחר מכן טיפוס /ירידה ואז רצף ייאו. הקצבים הזוויתיים והאצוצים הליניאריים בטיסה זו מזוהים בקלות בנתונים, והם מאשרים כי ה- IMU ובקר הטיסה פועלים כראוי.

לאחר הטיסה

11. נטרל מנועים כדי להבטיח שהם לא ידליקו בטעות.
12. שמור והורד נתוני טיסה לאחסון בארכיון.
13. רשום טיסה במילים לפי משוב מפעיל הטייס, ה- VO ומפעיל תחנת הקרקע.
14. בדוק את הסוללות וטען לפי הצורך.
15. לשחזר ציוד, ולנקות את האזור עבור הדייר הבא.

כיול חיישן

דוגמה לתוויה של כיול ג'ירו בקצב מוצגת באיור 8. במקרה זה, הקצב ג'ירו פולט קריאה נומינלית (אפס מהירות) של 2.38 V. נתוני מתח ג'ירו קצב נאספו עבור שש מהירויות סיבוב שונות נמדדו במעלות לשנייה, ועקומה ליניארית התאימה לנתונים אלה. כפי שמוצג, ההתאמה הליניארית מספקת קירוב טוב מאוד של כל נקודות הנתונים שנאספו.

תוצאות בדיקת טיסה

איור 9 מציג את הנתונים הגולמיים והמסוננים של ערכת נתוני האצה רוחבית של 30 s עבור מרובע שטס בסביבה פנימית. ערכי המסנן d ו- n גדולים יחסית כדי להמחיש בבירור את ההשפעה של תהליך הסינון. כפי שמוצג, רעש נתונים גולמיים מונפש. עם זאת, עיכוב זמן בולט קיים בנתונים המסוננים, למשל, במגמת התאוצה החיובית (המונשמת) ממש לפני t=5 s.  עבור עלילה זו, הטיה שלילית קטנה נרשמת במגמת ההאצה הכוללת; סביר להניח שהסיבה לכך היא גובה קל בהר ה-IMU ביחס למישור המדחף של הקוואדרוקטור, כך שמרכיב קטן של האצת הכבידה נרשם במדידת התאוצה של ציר ה- x.  היסט כזה נפוץ בעת יישור חיישנים רק באמצעות בדיקה חזותית.

איור 1. כוחות בסיסיים הפועלים על מטוסים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2. צינור נתונים מחיישנים לבקרת טיסה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3. חיישני יחידת מדידה אינרציאלית (IMU) ומוסכמות ציר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4. מערכת צינורות פיטו למדידת מסלול אוויר (V). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5. מערכת בדיקה בת חמישה חורים עבור Airspeed (V), זווית התקפה (a) וזווית Sidelip (b) מדידה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 6.  כיול חיישן IMU עם טבלת קצב ציר יחיד.  כפי שמוצג, ניתן לכייל את מתח הג'ירו של קצב ציר zישירות עבור כל מהירות זוויתית מבוקרת, w, ומד התאוצה של ציר xיכול להיות מכויל מאיץ צנטריפטאלי בהתחשב במהירות זוויתית w ורדיוס r נמדד ממרכז טבלת הקצב למרכז IMU centroid.  ניתן לסובב את ה- IMU ולהיטען מחדש כדי לכייל מדידות מצירי הג'ירו ומד התאוצה האחרים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 7. פלטפורמת Quadrotor עם ביגלבון כחול המשמש לבדיקת טיסה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 8.  דרג דוגמה לכיול דוגמאות ג'ירו. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 9.  דוגמה Quadrotor לרוחב (x) מובא נתונים תאוצה עבור טיסה פנימית באמצעות מסנן חציון עם d= 8 ומסנן ממוצע נע עם חלון n= 15.  הנתונים הגולמיים מסומנים על-ידי המגמה הכחולה, ונתונים מסוננים מוצגים בכתום. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 10. דוגמה ל- GPS, מד תאוצה ו- Rate Gyro Flight Test.  נתונים גולמיים (לא מסוננים) מוצגים כדי להמחיש את הצורך בסינון אותות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

כאן תיארנו את מערכות החיישנים, רכישת הנתונים ותהליך סינון האותות הנדרשים כדי לאפשר בקרת טיסה בזמן אמת של מטוסי כנף קבועה וכנפיים סיבוביות. צינור נתונים זה הוא מרכיב חיוני של כל מערכות הטייס האוטומטי המאוישות והלא מאוישות. מטוסים מרובים דורשים טייסים אוטומטיים כדי לייצב, ומטוסים מכל הסוגים מסתמכים באופן קריטי על רכישת נתונים בזמן אמת ובקרת טיסה לכל הפעולות כאשר אנו מתקדמים לעבר מערכות מטוסים אוטונומיות יותר ויותר המבצעות משימות הכוללות איסוף נתונים מוטסים והובלת מטענים. בעוד שניתן לשלב חבילות חיישנים מחוץ למדף, אמינות היא קריטית להבנת יכולות ומגבלות החיישן בסביבות שונות. לדוגמה, משקעים כבדים או קרח יכולים לחסום צינורות פיתות, ומבנים עירוניים של קניונים יכולים לחסום אותות GPS.

בנוסף, עמדות יוצאות דופן יכולות לדרוש הארכה לחישובי הערכה ממלכתיים הסתמכים על ייצוגי גישה של אוילר אנגל. יש החלפה מובנית בין החוסן שנצבר באמצעות שילוב של חיישנים נוספים לבין העלות והמשקל הנוספים הנדרשים לתמיכה בחיישנים יתירים. סביר להניח שהטמא"מים הקטנים בעלות הנמוכה ביותר ימשיכו להעסיק את חבילת החיישנים הבסיסית לבקרת טיסה המתוארת כאן. בעוד שהמטוסים האמינים ביותר, כגון הובלה מסחרית ומטוסי קרב, מבססים את הערכות מצבם על חיישנים דומים לאלה המתוארים כאן, הם מסתמכים על יתירות משולשת וגיוון חיישנים כדי להבטיח לבקר הטיסה של המטוס יכול להסתמך על הערכת מצב מדויקת למרות הפוטנציאל לכשלים בחיישנים או לתנאים סביבתיים מאתגרים ביותר.

איור 10 מציג GPS לדוגמה והיסטוריית זמן (גולמית) של IMU שנלקחו ממבחן טיסה קטן בעל כנף קבועה של UAS. נתוני GPS מראים את דפוס השוטטות המקומי שהוטס באופן ידני על ידי טייס באמצעות קישור לבקרת רדיו. היסטוריה זמן IMU גלם להראות אות אבל גם להפגין רעש אות משמעותי.  רעש זה נובע בעיקר מרעידות מבניות של מסגרת אוויר הנגרמת על ידי יחידת ההנעה (מנוע) והוא אופייני ל- UAS קטן בעל כנף קבועה עם מבנים מעץ קלים או מרוכבים.  שים לב כי הנתונים נאספו לאחר בידוד רטט IMU מהמבנה עם תושבות גומי, מתן מוטיבציה חזקה לסינון אותות.  בנתוני תגובת הזמן, ההמראה (ההשקה) מתרחשת מיד לאחר t=100 s, והנחיתה נראית בנתוני ה"קוצים" הגדולים המתרחשים ממש לפני t=450 s.

הכרות

אנו מודים למר פראשין שארמה, מר מתיו רומנו, וד"ר פיטר גאסקל מאוניברסיטת מישיגן על עזרתם בהקמת וניסויים.