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Contrôle de vol en temps réel : Calibration intégrée des capteurs et acquisition de données

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Un avion à voilure fixe réalise un vol régulier en équilibrant quatre forces : la portance aérodynamique, la traînée aérodynamique, la poussée du système de propulsion et le poids. Pour obtenir un vol stable, il doit également équilibrer les moments sur les trois axes, le roulis, la hauteur et l'axe de lacet. Toutes les rotations sont définies comme des angles sur ces axes avec des changements dans l'axe de roulis provoquant un mouvement d'un côté à l'autre, des changements à l'axe de tangage provoquant un mouvement d'inclinaison vers l'avant et vers l'arrière et des changements dans l'axe de lacet provoquant des changements de cap.

Afin de stabiliser l'avion à tout changement soudain comme des rafales de vent, un système de commande de vol émet des commandes de surface de moteur et de contrôle qui doivent être mises à jour en temps réel. Ainsi, le système de commande utilise divers capteurs pour maintenir une mesure précise de l'altitude actuelle, c'est-à-dire les angles de roulis, de tangage et de lacet, ainsi que la vitesse de l'air. Une fois les données obtenues à partir des capteurs, les signaux sont filtrés pour réduire l'impact du bruit et des valeurs aberrantes sur la qualité des données traitées. Les données sont ensuite regroupées dans une estimation complète de l'état de l'aéronef et utilisées pour la commande de vol.

Les aéronefs à voilure fixe et les multicopters comptent sur ce système de contrôle pour surveiller et contrôler l'altitude de l'avion. Les deux utilise également le balayage du capteur connu sous le nom d'une unité de mesure inertielle ou IMU.

Un IMU se compose généralement de trois types de capteurs : les accéléromètres pour mesurer l'accélération linéaire, les gyroscopes de vitesse de vitesse de vitesse angulaire et les capteurs de champ magnétique pour mesurer la direction et la force du champ magnétique local. Un IMU est souvent couplé avec un système GPS et monté près du centre de gravité de l'avion avec l'axe du capteur aligné avec l'axe de la carrosserie de l'avion.

Dans ce laboratoire, nous allons démontrer l'étalonnage d'un simple IMU à l'aide d'une table de taux de précision. Nous monterons ensuite l'IMU calibré à un multicopter et effectuerons un test en vol pour afficher les données en temps réel et filtrer.

Dans la première partie de l'expérience, nous calibrerons l'IMU qui contient un gyromètre à taux et un accéléromètre pour chaque axe à l'aide d'un tableau de taux de précision. Le tableau de taux tourne précisément à une vitesse définie par l'utilisateur suivant une série de commandes de taux. Cela nous permet de déterminer la relation entre la lecture de tension et la vitesse.

Pour commencer, monter l'IMU sur la table de taux avec des vis et l'orienter de telle sorte que l'axe du capteur en cours d'étalonnage dans ce cas l'axe X, est directement radialement vers l'intérieur ou vers l'extérieur. Mesurez la distance entre le centre de la table et le centre de l'IMU et utilisez cette mesure comme rayon de référence pour le mouvement circulaire. L'UmIM est monté sur un tableau d'acquisition de données. Connectez les composants directement.

Maintenant, configurez le logiciel pour collecter les données de taux et d'accélération de l'IMU. Mener une série d'expériences avec différents taux de rotation des tables à taux constants positifs et négatifs avec zéro utilisé comme mesure de référence. Alors que le tableau des taux est immobile, enregistrez le taux gyro et accéléromètre par les valeurs S. Ensuite, lancez le test et collectez les données.

Une fois que toutes les vitesses angulaires ont été testées pour cette orientation, détachez l'UMI et repositionnez-le de telle sorte que l'accéléromètre est orienté vers le haut. Rattache-le, puis lancez le test pour collecter des données de -1 G. Après cela, retournez l'UmIM de sorte que l'accéléromètre est orienté vers le bas et de recueillir des données de 1 G.

Lorsque vous avez terminé l'étalonnage de l'axe X, repositionner l'IMU de sorte que le capteur d'axe z est orientalement radially vers l'extérieur et répéter tous les tests, se souvenant de positionner l'IMU vers le haut et vers le bas pour calibrer l'accéléromètre. Effectuez la même procédure pour le capteur de l'axe y.

Dans la prochaine partie de l'expérience, nous monterons l'IMU sur le quadrotor et le ferons voler à l'intérieur d'une installation de vol nette. Une interface de récepteur d'émetteur de commande radiale permet au pilote de fournir des commandes pour l'altitude, le cap, l'angle de roulis, l'angle de tangage et l'angle de lacet.

Avant de commencer, chargez toutes les batteries et testez les composants avant l'installation sur le quadrotor. Préparez ensuite le vol en vous assurant qu'au moins trois personnes, le pilote commandant de bord, l'observateur visuel et l'exploitant de la station au sol sont tous informés des plans de vol. Apportez le quadrotor dans l'installation de vol filetée et installez-le sur une planche d'atterrissage plate.

L'essai en vol commence par le décollage de l'origine à une altitude de 1,5 m. Ensuite, nous allons exécuter un modèle de vol de deux mètres carrés avec une vitesse de référence de 0,5 m/s. Le quadrotor s'arrête avant chaque changement de position. Ensuite, nous exécuterons des segments de traversées à vitesse plus élevée à 0,5, 1 et 1,5 m/s pour démontrer comment la vitesse affecte les dépassements.

Pour commencer l'essai en vol, commencez l'acquisition de données sur la station au sol. Après avoir confirmé que la zone de vol est dégagée, armez les moteurs. Maintenant, commencez la séquence d'essais en vol avec le pilote appelant chaque étape avant de les exécuter en commençant par le décollage. Assurez-vous d'annoncer tous les changements de mode de vol, les cibles connues de point de passage, ou les manœuvres.

Une fois le plan de vol exécuté, alertez le reste de l'équipe de vol de la descente finale et de l'atterrissage du quadcopter. Ensuite, désarmer les moteurs sur le quadcopter. Enregistrez et téléchargez toutes les données de vol et enregistrez le vol dans le carnet de vol. Enfin, récupérer tout l'équipement et dégager la zone pour le prochain utilisateur.

Maintenant, nous allons interpréter les résultats. En commençant par les données d'étalonnage pour l'IMU, nous montrons d'abord une parcelle de vitesse de rotation de la table de taux par rapport à la tension gyro. Notez que le tableau de taux fournit un contrôle direct de la vitesse angulaire pour l'étalonnage gyrosco-gyro. Un ajustement linéaire aux données permet le calcul de la vitesse à partir de la tension gyrographique. Dans ce cas, le gyro-taux émet une lecture nominale de vitesse zéro de 2,38 volts.

Enfin, regardons les données de vol. Ici, nous montrons un ensemble de données d'accélération latérale de 30 secondes pour le quadrotor à l'aide de notre IMU calibré. Cette parcelle montre les mesures d'accélération brutes et filtrées de l'UMI par rapport au temps. Les données ont été filtrées afin d'éliminer le bruit de la mesure. Vous pouvez voir que les données brutes sur le bruit sont atténuées. Toutefois, un délai est présent dans les données filtrées.

En résumé, nous avons appris comment les systèmes de contrôle de l'aéronef utilisent divers capteurs pour mesurer l'altitude et la vitesse actuelles pendant le vol. Nous avons ensuite calibré un gyrophare à taux et un accéléromètre et les avons montés sur un quadrotor avant d'effectuer des expériences de vol.

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