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リアルタイムフライトコントロール
 

リアルタイムフライトコントロール:埋め込みセンサーキャリブレーションとデータ取得

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固定翼航空機は、空力リフト、空力ドラッグ、推進システムの推力と重量の4つの力のバランスをとることによって安定した飛行を達成します。安定した飛行を達成するためには、ロール、ピッチ、ヨー軸の3つの軸の間でモーメントのバランスを取る必要があります。すべての回転は、ロール軸の変化が左右のモーションを引き起こし、ピッチ軸が前方および後方に傾く動きを引き起こし、ヨー軸の変化が見出しの変化を引き起こす、これらの軸に関する角度として定義されます。

突風のような突然の変化に航空機を安定させるために、飛行制御システムは、リアルタイムで更新する必要があるモータと制御表面コマンドを発行します。したがって、制御システムは、現在の高度、つまりロール、ピッチ、ヨー角度、ならびに対気速度を正確に測定するために、様々なセンサーを使用します。センサーからデータを取得すると、信号がフィルタリングされ、処理されたデータ品質に対するノイズや外れ値の影響を軽減できます。その後、データは航空機の状態の完全な推定値に集約され、飛行制御に使用されます。

固定翼航空機とマルチコプターの両方が航空機の高度を監視し、制御するために、この制御システムに依存しています。どちらも慣性測定ユニットまたはIMUとして知られているセンサスイープを利用しています。

IMUは通常、線形加速度を測定する加速度計、角速度を測定する速度ジャイロスコープ、局所磁場の方向と強度を測定する磁場センサの3種類のセンサーで構成されています。IMU は、多くの場合、GPS システムと結合され、航空機の重心付近に、航空機本体の軸に位置合わせされたセンサー軸を使用して取り付けられます。

この実習では、精度表を使用した単純な IMU のキャリブレーションについてデモンストレーションします。次に、キャリブレーションされた IMU をマルチコプターにマウントし、フライト テストを実行してリアルタイムを表示し、データをフィルター処理します。

実験の最初の部分では、精度レートテーブルを使用して、各軸のレートジャイロと加速度計を含むIMUを校正します。レート テーブルは、一連のレート コマンドに従ってユーザー定義の速度で正確に回転します。これにより、電圧読み出しと速度の関係を決定できます。

まず、IMUをネジでレートテーブルに取り付け、この場合はセンサー軸がX軸で目盛りが入るように向きを付けます。テーブルの中心から IMU の中心までの距離を測定し、この測定値を円運動の基準半径として使用します。IMU はデータ集録ボードに取り付けられます。コンポーネントを直接接続します。

次に、IMU レートとアクセラレーション データを収集するソフトウェアをセットアップします。ベースライン測定として使用されるゼロで、異なる正と負の定率テーブル回転率を持つ一連の実験を行います。レートテーブルは動きのないですが、レートジャイロと加速度計をS値で記録します。次に、テストを開始し、データを収集します。

すべての角度速度がその方向をテストしたら、IMU を取り外し、加速度計が上向きに向かっているように位置を変更します。再アタッチしてから、テストを開始して -1 G データを収集します。その後、加速度計が下向きに向かるように IMU を反転し、+1 G データを収集します。

X 軸のキャリブレーションが完了したら、Z 軸センサーが外側に向かって放射状に配置するように IMU を再配置し、すべてのテストを繰り返し、IMU を上下に配置して加速度計を調整します。Y 軸センサーについても同じ手順を実行します。

実験の次の部分では、クワッドローターにIMUを取り付け、網付き飛行施設の中に飛ばします。放射状の制御送信機の受信機インターフェイスはパイロットが高度、針路、ロール角度、ピッチ角度およびヨー角度のためのコマンドを提供することを可能にする。

開始する前に、すべてのバッテリーを充電し、クワッドローターに取り付ける前にコンポーネントをテストしてください。その後、少なくとも3人、指揮のパイロット、視覚観察者と地上局のオペレータがすべて飛行計画に関するブリーフィングを行っていることを確認するフライトを準備します。クワッドローターを網付きの飛行施設に持ち込み、平らな着陸ボードにセットします。

飛行試験は、原点から高度1.5mまで離陸することから始まります。次に、0.5 m/s の基準速度を持つ 2 メートルの正方形の飛行パターンを実行します。四回転子は位置の各変更の前に一時停止します。次に、0.5、1、および 1.5 m/s で高速トラバーサルのセグメントを実行し、速度がオーバーシュートに与える影響を示します。

飛行テストを開始するには、地上局でデータ取得を開始します。飛行領域が明確であることを確認した後、モーターをアームします。次に、離陸から開始する前に、パイロットが各ステップを呼び出して飛行テスト シーケンスを開始します。すべてのフライトモードの変更、既知のウェイポイントターゲット、または操縦を必ずお知らせください。

飛行計画が実行された後、クワッドコプターの最終的な降下と着陸のフライトチームの残りの部分に警告します。次に、クワッドコプターのモーターを解除します。すべてのフライトデータを保存してダウンロードし、フライトログブックにフライトを記録します。最後に、すべての機器を回復し、次のユーザーのための領域をクリアします。

それでは、結果を解釈してみましょう。IMUのキャリブレーションデータから始めて、まずレートテーブルとジャイロ電圧の回転速度のプロットを示します。レートテーブルはジャイロキャリブレーションのための角速度の直接制御を提供することをなおくね。データに線形フィットにより、ジャイロ電圧からの速度の計算が可能になります。この場合、レートジャイロは2.38ボルトの公称ゼロ速度読み取りを放出する。

最後に、フライトデータを見てみましょう。ここでは、校正された IMU を使用して、クワドロータの 30 秒間の横加速データ セットを示します。このプロットは、IMUと時間からの生およびフィルタリングされた加速度測定値を示しています。測定からノイズを除去するためにデータをフィルタリングしました。生ノイズデータが減衰していることがわかります。ただし、フィルター処理されたデータには時間遅延が存在します。

要約すると、航空機制御システムが飛行中の現在の高度と対気速度を測定するためにさまざまなセンサーを使用する方法を学びました。その後、レートジャイロと加速度計を校正し、飛行実験を行う前にクワドローターに取り付けました。

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