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Control de vuelo en tiempo real: calibración de sensores integrados y adquisición de datos

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Un avión de ala fija logra un vuelo constante equilibrando cuatro fuerzas: elevación aerodinámica, resistencia aerodinámica, empuje y peso del sistema de propulsión. Para lograr un vuelo estable, también debe equilibrar los momentos sobre los tres ejes, el eje de balanceo, paso y guiñada. Todas las rotaciones se definen como ángulos sobre estos ejes con cambios en el eje de balanceo que causan movimiento de lado a lado, cambios en el eje de inclinación que causan movimiento de inclinación hacia adelante y hacia atrás y cambios en el eje de guiñada que causan cambios de rumbo.

Con el fin de estabilizar la aeronave a cualquier cambio repentino como ráfagas de viento, un sistema de control de vuelo emite comandos de motor y superficie de control que deben actualizarse en tiempo real. Por lo tanto, el sistema de control utiliza varios sensores para mantener una medición precisa de la altitud actual, es decir, los ángulos de balanceo, paso y guiso, así como la velocidad del aire. Una vez que los datos se adquieren de los sensores, las señales se filtran para reducir el impacto del ruido y los valores atípicos en la calidad de los datos procesados. A continuación, los datos se agregan en una estimación completa del estado de la aeronave y se utilizan para el control de vuelo.

Tanto los aviones de ala fija como los multicóptero confían en este sistema de control para monitorear y controlar la altitud de las aeronaves. Ambos también utilizan el barrido del sensor conocido como unidad de medición inercial o IMU.

Una IMU normalmente consta de tres tipos de sensores: acelerómetros para medir la aceleración lineal, giroscopios de velocidad para medir la velocidad angular y sensores de campo magnético para medir la dirección y la fuerza del campo magnético local. Una IMU a menudo se combina con un sistema GPS y se monta cerca del centro de gravedad de la aeronave con el eje del sensor alineado con el eje del cuerpo de la aeronave.

En este laboratorio, demostraremos la calibración de una IMU simple utilizando una tabla de velocidad de precisión. A continuación, montaremos la IMU calibrada en un multicóptero y realizaremos una prueba de vuelo para ver los datos en tiempo real y filtrar.

En la primera parte del experimento, calibraremos la IMU que contiene un giroscopio de velocidad y un acelerómetro para cada eje utilizando una tabla de velocidad de precisión. La tabla de velocidades gira con precisión a una velocidad definida por el usuario después de una serie de comandos de velocidad. Esto nos permite determinar la relación entre la lectura de voltaje y la velocidad.

Para empezar, monte la IMU en la tabla de velocidad con tornillos y oriente, como que el eje del sensor que se está calibrando en este caso el eje X, esté directamente radialmente hacia adentro o hacia afuera. Mida la distancia desde el centro de la tabla hasta el centro de IMU y utilice esta medida como radio de referencia para el movimiento circular. La IMU está montada en una placa de adquisición de datos. Conecte los componentes directamente.

Ahora, configure el software para recopilar los datos de velocidad y aceleración de IMU. Realice una serie de experimentos con diferentes tasas de rotación de tablas de velocidad constante positivas y negativas con cero utilizado como medición de línea base. Mientras la tabla de velocidad es inmóvil, registre el giroscopio de velocidad y el acelerómetro por valores S. A continuación, inicie la prueba y recopile los datos.

Una vez probadas todas las velocidades angulares para esa orientación, desenganche la IMU y vuelva a colocarla de tal forma que el acelerómetro esté orientado hacia arriba. Vuelva a conectarlo y, a continuación, inicie la prueba para recopilar datos de -1 G. Después de eso, voltee la IMU para que el acelerómetro esté orientado hacia abajo y recopile datos +1 G.

Cuando haya completado la calibración del eje X, vuelva a colocar la IMU de modo que el sensor del eje z esté orientado a la radial hacia afuera y repita todas las pruebas, recordando colocar la IMU hacia arriba y hacia abajo para calibrar el acelerómetro. Realice el mismo procedimiento para el sensor del eje Y.

En la siguiente parte del experimento, montaremos la IMU en el quadrotor y la volaremos dentro de una instalación de vuelo con red. Una interfaz del receptor del transmisor de control radial permite al piloto proporcionar comandos para la altitud, el rumbo, el ángulo de giro, el ángulo de inclinación y el ángulo de guiso.

Antes de arrancar, cargue todas las baterías y pruebe los componentes antes de la instalación en el quadrotor. A continuación, prepare el vuelo asegurándose de que al menos tres personas, el piloto al mando, el observador visual y el operador de la estación terrestre estén informados sobre los planes de vuelo. Lleve el quadrotor a la instalación de vuelo con red y póntelo en una tabla de aterrizaje plana.

La prueba de vuelo comienza con el despegue desde el origen subiendo a una altitud de 1,5 m. A continuación, ejecutaremos un patrón de vuelo de dos metros cuadrados con una velocidad de referencia de 0,5 m/s. El quadrotor se detiene antes de cada cambio de posición. A continuación, ejecutaremos segmentos de recorridos de mayor velocidad a 0,5, 1 y 1,5 m/s para demostrar cómo la velocidad afecta al exceso.

Para comenzar la prueba de vuelo, inicie la adquisición de datos en la estación terrestre. Después de confirmar que el área de vuelo está despejada, arma los motores. Ahora, inicie la secuencia de prueba de vuelo con el piloto llamando a cada paso antes de realizarlos comenzando con el despegue. Asegúrese de anunciar todos los cambios en el modo de vuelo, objetivos de waypoint conocidos o maniobras.

Una vez ejecutado el plan de vuelo, avise al resto del equipo de vuelo del descenso final y aterrizaje del quadcopter. Luego, desarma los motores del quadcopter. Guarde y descargue todos los datos de vuelo y registre el vuelo en el libro de registro de vuelos. Finalmente, recupere todo el equipo y despeje el área para el siguiente usuario.

Ahora vamos a interpretar los resultados. Comenzando con los datos de calibración para la IMU, primero mostramos una gráfica de velocidad de rotación de la tabla de velocidad frente a la tensión del giroscopio. Tenga en cuenta que la tabla de velocidades proporciona un control directo de la velocidad angular para la calibración del giroscopio. Un ajuste lineal a los datos permite el cálculo de la velocidad a partir de la tensión del giroscopio. En este caso, el giroscopio de velocidad emite una lectura nominal de velocidad cero de 2,38 voltios.

Por último, echemos un vistazo a los datos de vuelo. Aquí mostramos un conjunto de datos de aceleración lateral de 30 segundos para el quadrotor utilizando nuestra IMU calibrada. Esta gráfica muestra las mediciones de aceleración sin procesar y filtradas de la IMU frente al tiempo. Los datos se filtraron para eliminar el ruido de la medición. Puede ver que los datos de ruido sin procesar están atenuados. Sin embargo, un retraso de tiempo está presente en los datos filtrados.

En resumen, aprendimos cómo los sistemas de control de aeronaves utilizan varios sensores para medir la altitud actual y la velocidad del aire durante el vuelo. Luego calibramos un giroscopio de velocidad y un acelerómetro y los montamos en un quadrotor antes de realizar experimentos de vuelo.

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