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实时飞行控制:嵌入式传感器校准和数据采集
 

实时飞行控制:嵌入式传感器校准和数据采集

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固定翼飞机通过平衡四种力实现稳定飞行:空气动力学提升、空气动力学阻力、推进系统推力和重量。为了实现稳定的飞行,它还必须在三个轴、滚动轴、俯仰轴和偏航轴上平衡矩。所有旋转都定义为与这些轴有关的角度,滚动轴发生变化,导致侧向运动,俯仰轴变化导致向前和向后倾斜运动,偏航轴发生变化,导致方向变化。

为了稳定飞机的任何突然变化,如阵风,飞行控制系统发出电机和控制表面命令,必须实时更新。因此,控制系统使用各种传感器来精确测量当前高度,即滚动、俯仰和偏航角度以及空气速度。从传感器获取数据后,对信号进行过滤,以减少噪声和异常值对处理数据质量的影响。然后,数据被汇总到飞机状态的完整估计值中,用于飞行控制。

固定翼飞机和多直升机都依赖这种控制系统来监测和控制飞机的高度。两者都利用称为惯性测量单元或 IMU 的传感器扫描。

IMU 通常由三种传感器类型组成:用于测量线性加速度的加速度计、用于测量角速度的速率陀螺仪和用于测量局部磁场方向和强度的磁场传感器。IMU 通常与 GPS 系统结合,安装在飞机重心附近,传感器轴与飞机机身轴对齐。

在本实验中,我们将演示使用精度率表校准简单的 IMU。然后,我们将校准的 IMU 安装到多直升机上,并执行飞行测试以实时查看和筛选数据。

在实验的第一部分,我们将使用精度速率表校准包含每个轴的速率陀螺仪和加速度计的 IMU。速率表在一系列速率命令后以用户定义的速度精确旋转。这使我们能够确定电压读出和速度之间的关系。

首先,使用螺钉将 IMU 安装在速率表上,并将其定向,例如在这种情况下,X 轴正在校准的传感器轴直接向内或向外径向。测量从表中心到 IMU 中心的距离,并将此测量值用作圆周运动的参考半径。IMU 安装在数据采集板上。直接连接组件。

现在,设置软件来收集 IMU 速率和加速数据。进行一系列实验,采用不同的正负恒定速率表旋转速率,零用作基准测量。当速率表是一动不动的时,用 S 值记录速率陀螺仪和加速度计。然后,启动测试并收集数据。

一旦所有角度速度都测试了该方向,分离 IMU 并重新定位它,使加速度计向上定向。重新连接它,然后启动测试以收集 -1 G 数据。之后,翻转 IMU,使加速度计朝下,并收集 +1 G 数据。

完成 x 轴校准后,重新定位 IMU,使 z 轴传感器以东方半径向外旋转,并重复所有测试,记住将 IMU 向上和向下放置以校准加速度计。对 y 轴传感器执行相同的步骤。

在实验的下一部分,我们将IMU安装在四旋翼上,并将其飞入网状飞行设施内。径向控制发射器接收器接口使飞行员能够提供高度、方向、滚动角度、俯仰角和偏航角度的命令。

起动前,在四旋翼上安装之前,为所有电池充电并测试组件。然后准备飞行,确保至少三个人,飞行员在指挥,视觉观察者和地面站操作员都被告知飞行计划。将四旋翼进入网状飞行设施,并将其设置在平坦的着陆板上。

飞行测试从从原点起飞到1.5米的高度开始。然后,我们将以 0.5 m/s 的参考速度执行两米平方的飞行模式。每次更改位置之前,四旋翼将暂停。然后,我们将以 0.5、1 和 1.5 m/s 执行高速遍历段,以演示速度如何影响过冲。

要开始飞行测试,开始在地面站进行数据采集。确认飞行区域清晰后,武装电机。现在,启动飞行测试序列,飞行员在起飞前先喊出每个步骤。请务必宣布所有飞行模式更改、已知航点目标或机动。

执行飞行计划后,提醒飞行团队的其他成员四轴飞行器最终降落和降落。然后,解除四轴飞行器上的电机。保存并下载所有航班数据,并在航班日志中记录航班。最后,恢复所有设备并为下一个用户清除区域。

现在,让我们来解释结果。从 IMU 的校准数据开始,首先我们显示了速率表与陀螺电压的转速图。请注意,速率表提供陀螺仪校准的角速度的直接控制。与数据的线性拟合可实现从陀螺电压计算速度。在这种情况下,速率陀螺仪发出 2.38 伏的标称零速读数。

最后,让我们看一下飞行数据。在这里,我们展示了使用我们校准的 IMU 为四旋翼的 30 秒横向加速度数据集。此图显示 IMU 与时间之间的原始加速度测量值和过滤加速度测量值。对数据进行过滤,以便消除测量中的噪声。您可以看到原始噪声数据衰减。但是,筛选的数据中存在时间延迟。

总之,我们了解了飞机控制系统如何使用各种传感器在飞行过程中测量当前高度和风速。然后,我们校准了速率陀螺仪和加速度计,并在进行飞行实验之前将它们安装在四旋翼上。

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