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Echtzeit-Flugsteuerung: Eingebettete Sensorkalibrierung und Datenerfassung

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Ein Festflügelflugzeug erreicht einen gleichmäßigen Flug, indem es vier Kräfte ausbalanciert: aerodynamischer Lift, aerodynamischer Luftwiderstand, Schub antrieb und Gewicht. Um einen stabilen Flug zu erreichen, muss er auch Momente über alle drei Achsen, die Rolle, die Tonhöhe und die Gähnachse ausbalancieren. Alle Drehungen sind definiert als Winkel um diese Achse mit Änderungen in der Rollenachse, die eine Seiten-zu-Seite-Bewegung verursachen, Änderungen an der Steigungsachse, die vorwärts- und rückwärts geneigte Bewegung verursachen, und Änderungen in der Gähnachse, die Richtungsänderungen verursachen.

Um das Flugzeug für plötzliche Veränderungen wie Windböen zu stabilisieren, gibt ein Flugsteuerungssystem Motor- und Steueroberflächenbefehle aus, die in Echtzeit aktualisiert werden müssen. So verwendet das Steuerungssystem verschiedene Sensoren, um eine genaue Messung der aktuellen Höhe, d. h. der Roll-, Pitch- und Gähnwinkel, sowie der Luftgeschwindigkeit zu halten. Sobald Daten von den Sensoren erfasst werden, werden die Signale gefiltert, um die Auswirkungen von Rauschen und Ausreißern auf die verarbeitete Datenqualität zu reduzieren. Die Daten werden dann in einer vollständigen Schätzung des Flugzeugzustands aggregiert und für die Flugsteuerung verwendet.

Sowohl Festflügelflugzeuge als auch Multikopter verlassen sich auf dieses Steuerungssystem, um die Flughöhe zu überwachen und zu steuern. Beide verwenden auch Sensor Sweep bekannt als inertial E-Einheit oder IMU.

Ein IMU besteht in der Regel aus drei Sensortypen: Beschleunigungsmesser zur Messung der linearen Beschleunigung, Geschwindigkeitsgyroskope zur Messung der Winkelgeschwindigkeit und Magnetfeldsensoren zur Messung der Richtung und Stärke des lokalen Magnetfeldes. Eine IMU wird oft mit einem GPS-System gekoppelt und in der Nähe des Schwergewichtsschwerpunkts mit der Sensorachse an der Achse des Flugzeugkörpers ausgerichtet montiert.

In diesem Labor zeigen wir die Kalibrierung einer einfachen IMU mithilfe einer Präzisionsrate-Tabelle. Anschließend montieren wir die kalibrierte IMU an einem Multicopter und führen einen Flugtest durch, um Echtzeit- und Filterdaten anzuzeigen.

Im ersten Teil des Experiments kalibrieren wir den IMU, der einen Ratenkreisel und Beschleunigungsmesser für jede Achse enthält, mithilfe einer Präzisionsrate-Tabelle. Die Rate-Tabelle dreht sich nach einer Reihe von Rate-Befehlen präzise mit einer benutzerdefinierten Geschwindigkeit. Dies ermöglicht es uns, die Beziehung zwischen der Spannungsanzeige und der Geschwindigkeit zu bestimmen.

Zunächst montieren Sie die IMU mit Schrauben auf den Rate-Tisch und richten Sie sie so aus, dass die sensorische Achse, die in diesem Fall die X-Achse kalibriert wird, direkt radial nach innen oder außen gerichtet ist. Messen Sie den Abstand vom Tabellenmittelpunkt zum IMU-Mittelpunkt, und verwenden Sie diese Messung als Referenzradius für kreisförmige Bewegungen. Die IMU ist auf einer Datenerfassungsplatine montiert. Verbinden Sie die Komponenten direkt.

Richten Sie nun die Software ein, um die IMU-Rate- und Beschleunigungsdaten zu erfassen. Führen Sie eine Reihe von Experimenten mit unterschiedlichen positiven und negativen konstanten Raten-Tabellenrotationsraten mit Null als Basismessung verwendet. Während die Rate-Tabelle bewegungslos ist, notieren Sie den Kurskreisel und Beschleunigungsmesser nach S-Werten. Starten Sie dann den Test, und sammeln Sie die Daten.

Sobald alle Winkelgeschwindigkeiten auf diese Ausrichtung getestet wurden, lösen Sie die IMU und positionieren Sie sie so, dass der Beschleunigungsmesser nach oben ausgerichtet ist. Fügen Sie es erneut an, und starten Sie dann den Test, um -1 G-Daten zu sammeln. Danach kippen Sie die IMU so, dass der Beschleunigungsmesser nach unten ausgerichtet ist und +1 G-Daten sammeln.

Wenn Sie die Kalibrierung der x-Achse abgeschlossen haben, positionieren Sie den IMU so neu, dass der Z-Achsensensor orientalisch radial nach außen gerichtet ist, und wiederholen Sie alle Tests, und denken Sie daran, die IMU nach oben und unten zu positionieren, um den Beschleunigungsmesser zu kalibrieren. Führen Sie das gleiche Verfahren für den y-Achsensensor aus.

Im nächsten Teil des Experiments werden wir die IMU auf dem Quadrotor montieren und innerhalb einer Netzfluganlage fliegen. Eine radiale Steuerung Senderempfänger Schnittstelle ermöglicht es dem Piloten, Befehle für Höhe, Überschrift, Rollwinkel, Steigungswinkel und Gähnwinkel zur Verfügung zu stellen.

Laden Sie vor dem Start alle Batterien auf und testen Sie die Komponenten vor der Installation auf dem Quadrotor. Dann bereiten Sie den Flug vor, um sicherzustellen, dass mindestens drei Personen, der Kommandant, der visuelle Beobachter und der Betreiber der Bodenstation, über die Flugpläne informiert werden. Bringen Sie den Quadrotor in die Netzfluganlage und stellen Sie ihn auf ein flaches Landebrett.

Der Flugtest beginnt mit dem Start vom Ursprungsklettern auf 1,5 m Höhe. Anschließend führen wir ein zwei Meter großes Flugmuster mit einer Referenzgeschwindigkeit von 0,5 m/s aus. Der Quadrotor pausiert vor jedem Positionswechsel. Anschließend führen wir Segmente mit höheren Geschwindigkeitsüberschreitungen bei 0,5, 1 und 1,5 m/s aus, um zu demonstrieren, wie sich Geschwindigkeitsüberschüsse überdasen.

Um den Flugtest zu starten, starten Sie die Datenerfassung auf der Bodenstation. Nachdem Sie bestätigt haben, dass der Flugbereich frei ist, bewaffnen Sie die Motoren. Beginnen Sie nun die Flugtestsequenz, wobei der Pilot jeden Schritt ausruft, bevor er sie ab dem Start durchführt. Achten Sie darauf, alle Flugmodus-Änderungen, bekannte Wegpunktziele oder Manöver anzukündigen.

Nachdem der Flugplan ausgeführt wurde, informieren Sie den Rest des Flugteams über die endgültige Abfahrt und Landung des Quadcopters. Entwaffnen Sie dann die Motoren am Quadcopter. Speichern und laden Sie alle Flugdaten herunter und protokollieren Sie den Flug im Fluglogbuch. Schließlich, alle Geräte wiederherstellen und den Bereich für den nächsten Benutzer löschen.

Lassen Sie uns nun die Ergebnisse interpretieren. Beginnend mit den Kalibrierdaten für die IMU zeigen wir zunächst ein Diagramm der Drehzahl der Geschwindigkeitstabelle im Vergleich zur Kreiselspannung. Beachten Sie, dass die Rate-Tabelle eine direkte Steuerung der Winkelgeschwindigkeit für die Kreiselkalibrierung bietet. Eine lineare Anpassung an die Daten ermöglicht die Berechnung der Geschwindigkeit aus Derelkreisspannung. In diesem Fall emittiert der Kurskreisel einen nominalen Nulldrehzahlwert von 2,38 Volt.

Sehen wir uns schließlich die Flugdaten an. Hier zeigen wir mit unserem kalibrierten IMU einen 30-Sekunden-Querbeschleunigungsdatensatz für den Quadrotor. Dieses Diagramm zeigt rohe und gefilterte Beschleunigungsmessungen aus dem IMU im Vergleich zur Zeit. Die Daten wurden gefiltert, um Geräusche aus der Messung zu entfernen. Sie können sehen, dass Rohrauschendaten abgeschwächt werden. In den gefilterten Daten ist jedoch eine Zeitverzögerung vorhanden.

Zusammenfassend haben wir gelernt, wie Flugzeugsteuerungssysteme verschiedene Sensoren verwenden, um die aktuelle Höhe und Fluggeschwindigkeit während des Fluges zu messen. Wir kalibrierten dann einen Ratenkreisel und Beschleunigungsmesser und montierten sie auf einem Quadrotor, bevor wir Flugexperimente durchführten.

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