Controllo di volo in tempo reale: calibrazione del sensore incorporato e acquisizione dati

Questa procedura illustrerà la calibrazione e l'integrazione dei sensori IMU e ADS con i computer di volo e dimostrerà l'uso dell'acquisizione e dell'elaborazione dei dati INS e ADS integrati in una struttura di volo all'aperto. Viene dimostrato il controllo di volo end-to-end per un quadrotor che opera nella struttura di test di volo con reti M-Air dell'Università del Michigan.

1. Calibrazione del sensore: unità di misura inerziale (IMU)

La calibrazione del sensore è più efficace se eseguita con il supporto di apparecchiature di test di alta qualità. Per l'IMU a 3 assi, calibrare separatamente il giroscopio e l'accelerometro della velocità per ciascun asse utilizzando una tabella della velocità di precisione (Figura 6). La tabella delle velocità ruota con precisione a una velocità angolare definita dall'utente. L'utente emette una serie di comandi di velocità, durante i quali l'IMU raccoglie i dati necessari per la calibrazione del sensore. L'esperimento di calibrazione ad asse singolo descritto di seguito viene quindi ripetuto tre volte, una volta per ogni asse del sensore IMU (x, y, z).

1. Montare l'IMU sulla tabella delle velocità in modo che l'asse del sensore da calibrare sia diretto radialmente verso l'interno o verso l'esterno.
2. Misurare la distanza dal centro del tavolo al centro del centro IMU. Questo è il raggio di riferimento per il movimento circolare.
3. Montare il computer DAQ, l'IMU e la batteria direttamente sulla tabella delle velocità e collegare direttamente tutti i componenti.
4. Configura il software per raccogliere i dati di velocità e accelerazione IMU.
5. Mentre la tabella dei tassi è immobile, registra i valori del giroscopio e dell'accelerometro.
6. Condurre una serie di esperimenti con diversi tassi di rotazione della tabella a velocità costante positiva e negativa. Le calibrazioni dei sensori dovrebbero essere lineari. Acquisisci dati a velocità di 0 (baseline), ±15, ±30 e ±60 gradi/secondo. La tabella può girare a velocità più elevate, ma i valori selezionati sono sufficienti per coprire i segnali previsti nelle tipiche operazioni di volo UAV.
7. Raccogli i dati dal giroscopio e dall'accelerometro da calibrare per ogni valore di velocità angolare sopra elencato. Ogni velocità di rotazione dovrebbe essere stabilita prima della raccolta dei dati per garantire il mantenimento di una velocità costante. Raccogliere dati superiori a 10 - 15 s, assumendo una velocità di raccolta dati di almeno 30 - 100 Hz, per garantire che i disturbi possano essere filtrati dai valori di calibrazione finali.
8. Scollegare e rimuovere l'IMU dalla tabella dei tassi e orientarla in modo tale che l'accelerometro calibrato punti verso il basso.
9. Raccogli +1g di dati attraverso il sistema informatico.
10. Capovolgere l'IMU in modo tale che l'accelerometro calibrato punti in alto e raccolga dati -1g attraverso il sistema informatico. Questi punti dati aggiuntivi sono semplici da ottenere e possono essere utilizzati per convalidare ogni curva di calibrazione lineare ottenuta dai dati della tabella dei tassi a ±1g.  Il valore di 1 g è particolarmente importante per calibrare con precisione perché i dati dell'accelerometro lineare vengono utilizzati per determinare la direzione "verso il basso" rispetto al corpo del quadricottero.
11. Elaborare i dati. Sviluppare curve lineari per i punti dati giroscopici e accelerometrici, che mettono in relazione le tensioni acquisite con le velocità di rotazione dell'unità MKS (giroscopio) e le accelerazioni lineari (accelerometro). Verificare che l'errore di calibrazione sia sufficientemente basso. Si noti che la tabella delle velocità fornisce il controllo diretto della velocità angolare per la calibrazione del giroscopio. L'accelerazione corrispondente, a, indotta dalla forza centripeta del moto circolare, può essere calcolata dalla velocità angolare specificata ω e dal raggio r dell'IMU dal centro della tabella dei tassi:
    (9)

2. Esperimenti di volo Quadrotor

Per la nostra serie finale di esperimenti, montiamo l'IMU e il sistema di Pitot su un quadrotor (mostrato nella Figura 7)e voliamo nella struttura di volo con reti M-Air dell'Università del Michigan. Il veicolo viene stabilizzato attraverso una porta del pacchetto autopilota open source Ardupilot al Beaglebone Blue (nessun microprocessore utilizzato) e configurato prima del volo attraverso il software della stazione di terra Mission Planner. Un'interfaccia trasmettitore/ricevitore radiocomando consente al pilota di fornire comandi "loop esterno" per l'altitudine del quadrotor, il movimento da lato a lato e la direzione della legge di controllo del volo "inner loop" di Ardupilot che regola l'angolo di rollio del quadrotor, l'angolo di beccheggio, l'angolo di imbardata (direzione) e l'altitudine. [14]

Poiché un quadrotor non richiede il feedback della velocità dell'aria per stabilizzarsi, Ardupilot si basa solo sui dati IMU più un sensore di pressione per l'altitudine, che viene calibrato durante l'inizializzazione del programma rispetto alla pressione dell'altitudine di decollo, per stabilizzare il volo dati gli input del pilota. Un'estensione completamente autonoma di Ardupilot richiede dati di posizione inerziale dal GPS o da altri sistemi di rilevamento (ad esempio, motion capture ad alta velocità). Poiché i nostri esperimenti sono stati eseguiti con quadricottatori in ambienti vincolati, il sistema di dati dell'aria di Pitot non è necessario.  Tuttavia, i sistemi pitot sono essenziali per velivoli ad ala fissa e multicotteri che tentano traiettorie di volo precise seguendo ambienti ventosi incerti. [15, 16] La procedura di test di volo è divisa in tre fasi: pre-volo, test di volo e post-volo. Questa suddivisione è simile alle procedure seguite dai piloti di aeromobili con equipaggio attraverso l'uso di liste di controllo della cabina di pilotaggio ben consolidate. [17]

Pre-volo

1. Caricare le batterie e testarle prima dell'installazione.
2. Stabilire un ambiente di prova chiaro (interno o esterno) e contrassegnare l'area per garantire che le persone non coinvolte rimangano chiare.
3. Assicurati che il team di test di volo sia informato e qualificato (addestrato) per eseguire il test pianificato.
4. Se voli all'aperto, assicurati che l'aeromobile e il pilota siano registrati e certificati secondo le normative FAA. Per un test all'aperto è richiesto un minimo di tre persone: un pilota in comando (PIC), un osservatore visivo (VO) e un operatore della stazione di terra. Per i nostri test, il quadrotor volerà in una struttura a rete all'aperto. Due operatori di tether assicureranno che il veicolo non possa volare via per i test indoor. Si noti che nessun regolamento specifico della FAA si applica ai test di volo netted poiché l'UAV non occupa uno spazio esterno aperto.
5. Accendi il computer di volo e il laptop della stazione di terra.
6. Raccogliere dati preliminari per garantire che i sensori funzionino correttamente. Il pilota e il team di supporto devono garantire una chiara comprensione del piano di volo e che siano in atto procedure di aborto / recupero.

Test di volo

6. Avviare l'acquisizione dei dati sulla stazione di terra.
7. Verificare che l'area di volo sia chiara/sicura.
8. Propulsori/motori a braccio.
9. Avviare la sequenza di test di volo.
10. Condurre il test di volo, con il pilota che chiama ogni passaggio, incluso come minimo:
    decollo (lancio), modifiche alla modalità di volo, bersagli o manovre waypoint noti e atterraggio.  Assicurarsi che tutto il personale sia in servizio ed eseguire procedure di emergenza (terminazione del volo) secondo necessità. Waypoint e traiettorie sono specifici per ogni volo. Per l'esperimento quadrotor, seguiamo schemi trasversali e rettangolari moderatamente aggressivi a un'altitudine e una direzione costanti, seguiti da una salita / discesa e quindi da una sequenza di imbardata. Le velocità angolari e le accelerazioni lineari in questo volo sono facilmente identificabili nei dati e confermano che l'IMU e il controllore di volo funzionano correttamente.

Post-volo

11. Disarmare i motori per assicurarsi che non si accendono accidentalmente.
12. Salva e scarica i dati di volo nell'archivio.
13. Registra il volo in parole per il feedback del pilota, del VO e dell'operatore della stazione di terra.
14. Controllare le batterie e caricare secondo necessità.
15. Recupera l'attrezzatura e pulisci l'area per il prossimo occupante.