Domanda:
Qual è il numero minimo di sensori per un UAV GPS per hobby che segue il waypoint?
Greg McNulty
2019-07-10 08:16:03 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Vorrei sviluppare il mio software di volo di guida, navigazione e controllo (GN&C) su un Raspberry Pi, per un piccolo UAV ad ala fissa per hobby. Da un punto di vista fisico, qual è il set minimo di sensori / input necessari per implementare il semplice vecchio waypoint GPS?

Capisco di avere un sacco di matematica da imparare, ma qual è il set minimo di input per quella matematica? Ho esperienza con il C ++ incorporato per i sistemi di intrattenimento per veicoli, ma nessuna conoscenza nel campo dell'aviazione.

Qual è la tua posizione? Avevo l'impressione che la maggior parte del mondo sviluppato consentisse solo il funzionamento in linea di vista e controllato dall'operatore. Non è così?
Ciò che è permesso non è lo stesso di ciò che è possibile.
Un raspberry pi è una scelta terribile per questo: grande, assetato di potere e troppa complessità hardware e soprattutto software che può fallire in modi impossibili da replicare o comprendere. Cose pratiche come questa utilizzano un microcontrollore di medie dimensioni con una porta seriale libera per interfacciare il GPS.
@ChrisStratton così vero. Qualcuno ha provato a controllare i LED RGB usando il clock del software PWM su un Pi, e ha ottenuto un abbagliamento dei colori ... la risposta è stata "fai in modo che il Pi comandi un Arduino per fare il clock effettivo" ...
Sulla falsariga di quanto stava dicendo Jeffrey, questo è effettivamente illegale negli Stati Uniti. I droni per hobbisti devono rimanere nel campo visivo dell'operatore e al di sotto di 400 piedi AGL. E, seriamente, a differenza di molti regolamenti governativi, ci sono ottime ragioni per queste regole (vale a dire, l'aereo con equipaggio al di sopra di quel livello), quindi per favore seguitele. Ovviamente, se tutti i tuoi waypoint sono entro la tua linea di vista e sotto i 400 AGL, allora sei a posto.
400 piedi e la linea di vista possono sembrare ragionevoli, ma paralizzano gravemente l'utilità e la libertà dell'arte nelle aree in cui il rischio per gli aerei con equipaggio è straordinariamente basso o inesistente. Ciò che è anche oggetto di dibattito è il motivo per cui il controllo a livello comunale e statale sullo spazio aereo non è una cosa. Concordo con quiet flyer sul fatto che la legalità è irrilevante quando la domanda chiede ciò che è possibile.
Nel 2005 un gruppo di ragazzi in Canada ha fatto qualcosa di simile (anche se più semplice) con un GPS + bussola digitale + sensore di velocità (tubo di Pitot): http://www.canuck-boffin.net/sonde/index.htm. Hanno descrizioni dell'hardware e del software che hanno sviluppato sul loro sito. Hanno usato un minuscolo PC industriale (circa il doppio delle dimensioni di un Pi ma i386 a 25MHz) con DOS.
@Steve Questo è per gli hobbisti - regole che devi seguire per volare senza licenza (anche se a quanto pare ora devi registrarti). Se devi far funzionare il tuo aereo senza pilota oltre queste regole, puoi ricevere addestramento e richiedere una licenza di operatore di droni con la FAA - ** POI ** richiedere una deroga alla regola della linea di vista (che credo sia concessa per piano di volo)
@slebetman Questo è un po 'fuori tema, ma eccolo qui: vorrei rimuovere il requisito di registrazione per gli hobbisti e riallocare la licenza dell'operatore di droni commerciali in modo che sia strettamente un affare a livello statale (nessun coinvolgimento della FAA eccetto l'impostazione delle linee guida, simile a come Commercial Drivers Licensing è fatto per stato come informato dalle linee guida federali). Quali azioni posso intraprendere, quali gruppi condividono i miei sentimenti? Considero un grossolano doppio standard che abbiamo ultraleggeri e parapendio che operano senza licenza o registrazione, ma la micro-sfera del volo è severamente controllata.
@Steve Non vengo dagli Stati Uniti né vivo lì, ma AFAIK la principale organizzazione che rappresenta gli hobbisti (e l'unica che la FAA riconosce) è AMA (www.modelaircraft.org) ma sono molto conservatori e il più possibile cercano di evitare confrontandosi con la FAA. Per decenni la legge che ha dato alla FAA il potere di regolare lo spazio aereo limita ciò che la FAA può regolare per gli aerei senza pilota che volano al di sotto dell'altitudine minima di volo (da cui provengono i 400 piedi) per uso non commerciale. Questo aveva lo scopo di coprire tutto, dagli aeroplani di carta agli UAV per hobbisti.
.. ma ultimamente c'è stato un gruppo di interessi commerciali tra cui DJI, Amazon, Google e un gruppo di altre società che stanno facendo pressioni sul governo per concedere in licenza e / o regolamentare lo spazio aereo di 400 piedi (perché è prezioso per loro per i loro droni). Quindi negli ultimi anni la formulazione della legge (che ha dei limiti di tempo quindi viene periodicamente rinnovata / riapprovata) è stata modificata per dare alla FAA il potere di richiedere la registrazione. Se non ti piace, una linea di condotta è scrivere al tuo rappresentante al riguardo
Per quanto riguarda le dimensioni e il peso di una soluzione Raspberry Pi, ecco un progetto GPS portatile che ho costruito, per confronto: https://www.instructables.com/id/Handheld-GPS-With-EInk-Display/ Il prototipo descritto era circa 150 g, il consumo energetico è di circa 1 W e il volume è di circa la metà di un hot dog, senza contare il considerevole spazio aereo all'interno del mio contenitore di plastica. L'applicazione che descrivi mi sembra che sarebbe difficile da implementare su un Pi solo per la necessità di interfacciare tutte le periferiche: molti connettori e alcuni hardware vogliono essere su determinati pin.
Guarda i controllori di volo RC per hobby. Molti sono open source e sono in grado di eseguire missioni waypoint in modo completamente autonomo utilizzando una IMU e un ingresso GPS esterno.
Sei risposte:
AEhere supports Monica
2019-07-10 13:17:05 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Il minimo assoluto per un veicolo generalizzato che deve conoscere la sua posizione e assetto (orientamento) nello spazio è uno per grado di libertà. Questo può essere ridotto se disponiamo di informazioni sulle modalità naturali del sistema e sulla loro stabilità.

Per semplicità, supponiamo che un veicolo si muova in 3 dimensioni, ciò significa un totale di 6 DoF:

  • 3 coordinate nello spazio per conoscere la posizione
  • 3 angoli (o simili) per conoscere l'assetto

Il modo più semplice per soddisfare questi requisiti sono gli accelerometri per le coordinate XYZ e i giroscopi per gli angoli, e questi sono spesso impacchettati insieme in una IMU. Tecnicamente non hai nemmeno bisogno di un GPS reale finché conosci le coordinate della posizione di partenza, poiché puoi semplicemente integrarlo per conoscere la tua posizione. Questo è noto come calcolo morto tramite navigazione inerziale e funziona in questo modo (usiamo coordinate $ x $ come esempio):

  • Devi conoscere il valore iniziale $ x $ e la sua velocità di variazione: $ x_0, \ dot {x} _0 $
  • Ascolta i valori dell'accelerometro $ \ ddot {x} $ .
  • Integra l'accelerazione per ottenere la velocità: $ \ dot {x} = \ int {\ ddot {x} \, dx} + \ dot {x} _0 $
  • Integra la velocità per ottenere la posizione: $ x = \ int {\ dot {x} \, dx} + x_0 $

Ovviamente questo ha molti difetti. Gli accelerometri del mondo reale hanno rumore, i giroscopi hanno una deriva, la tua posizione di partenza è probabilmente imprecisa, il tuo veicolo probabilmente ha bisogno di più dati di quelli per funzionare e l'intero sistema che ho appena descritto non ha avuto modo di ritrovarsi se si ripristina in missione.

Per un progetto barebone realistico come hai descritto avrai bisogno di:

  • 3 accelerometri (in una IMU)
  • 3 giroscopi (in una IMU)
  • 3 magnetometri (di solito vengono forniti con l'IMU e aiutano a mantenere in linea i 2 precedenti)
  • GPS (può essere fornito in bundle con l'IMU e lo si desidera specificamente)

Ulteriori fonti di dati sono desiderabili ma complicano notevolmente l'architettura FCS, poiché è necessario pesare correttamente i dati, dopotutto, non vuoi che l'aereo si fidi più del magnetometro che dei giroscopi e ti mostri un piccolo trucco ha appreso passando vicino a un'anomalia magnetica.

In particolare, una sonda di Pitot è utile per conoscere la tua velocità rispetto alla velocità al suolo. Una banderuola alfa è un po 'un lusso e non è necessaria a meno che tu non stia spingendo la busta di volo.

Qualsiasi sensore di osservazione del suolo con velocità di aggiornamento, portata e precisione sufficienti (IR, laser, LiDAR, acustico, ecc. ) ti consentirà di smussare i tuoi atterraggi e quale scegliere dovrebbe dipendere dal tuo design e dal tuo budget; hanno tutti pro e contro.

Dal punto di vista della codifica, se sei seriamente intenzionato a farlo da solo da zero, dovresti esaminare i sistemi in tempo reale, i filtri di Kalman e il vasto campo dei sensori fusione. Impara anche un po 'di aerodinamica mentre lo fai, in modo che la cellula stessa non sia una scatola nera per te. Puoi eseguire un FCS su un Arduino, anche per quadricotteri, se ti accontenti di un semplice SAS.

Esiste una vasta comunità di costruttori di UAV per hobby online che può fornire tu con una soluzione quasi pronta all'uso per il tuo FCS ( Ardupilot), se preferisci questo approccio. Personalmente trovo spesso la loro documentazione carente, quindi ti suggerisco di imparare almeno le basi dietro quello che stai facendo, per aiutarti a navigare tra le inevitabili lacune nel manuale. Inoltre, poiché si tratta di un progetto open source, puoi quindi colmare queste lacune.

Con un modello dinamico del sistema non sono necessariamente necessari tanti sensori quanti sono i gradi di libertà nello stato. Deve solo essere "osservabile".
@pericynthion mi corregge se sbaglio, ma a meno che i tuoi DoF non siano in qualche modo combinazioni lineari l'uno dell'altro, non penso che tu possa farla finita senza perdita di informazioni. Gli assi $ x, y, z $ sono ortogonali e mentre gli angoli di Eulero hanno un caso singolare (blocco del gimbal) forniscono una rappresentazione minima sufficiente dell'assetto.
@pericynthionif a meno che, naturalmente, non intendi che possiamo ricostruire lo stato di atteggiamento dalla traiettoria e dagli input, il che non è il caso nel mondo pratico.
Ti sbagli :) anche se volevo dire "rilevabile" piuttosto che "osservabile". È sufficiente avere tanti sensori quante sono le * modalità instabili * del sistema dinamico, a condizione che tali sensori forniscano osservazioni adeguatamente ortogonali.
È importante sottolineare che * non * è necessario che i sensori che possiedi siano perfetti, né che il tuo modello dinamico sia perfetto, né che non ci siano disturbi (ad esempio raffiche di vento).
@pericynthion è giusto, è passato troppo tempo dall'ultima volta che mi sono occupato della teoria del controllo. Tuttavia, credo che ciò richieda ancora una serie extra di vincoli, in particolare che i controlli non possono spostare il sistema fuori dall'inviluppo stabile, cosa piuttosto difficile da fare per gli aerei. Il modello non deve essere perfetto, ma deve essere applicabile: le classiche modalità longitudinale e laterale-direzionale sono valide per le perturbazioni intorno al volo livellato stabile e un aereo in rotazione piatta o stallo profondo può esibire nuove modalità.
Cerchiamo di [continuare questa discussione in chat] (https://chat.stackexchange.com/rooms/95994/discussion-between-aehere-and-pericynthion).
@AEhere: grazie mille per tutti i dettagli e grazie per gli esempi integrali. Ora vedo come funzionerebbe l'approccio "cieco" e a cosa servono i sensori. Nel caso in cui il GPS venga aggiunto al mix, è lì che entra in gioco la fusione dei sensori?
Sarebbe utile anche un barometro (o un altro metodo per misurare i cambiamenti di altitudine): il GPS può ottenere l'altitudine, ma non con la stessa sensibilità ... (direi che è più difficile da sostituire con il GPS rispetto ai magnetometri - Se hai l'atteggiamento e tempo, il controllo del GPS otterrà la direzione in modo decente, ma più lento di una bussola (elettronica)) (Poiché sono coinvolti i waypoint GPS, presumo che un GPS sia comunque obbligatorio)
@GertvandenBerg è giusto, ma quando sei lontano dal terreno il GPS dovrebbe essere sufficiente, e quando sei vicino ad esso avrai comunque bisogno di qualcosa di più preciso di un barometro. Includerò comunque una riga. Inoltre, i vettori di velocità derivati ​​dal GPS sono abbastanza precisi per il livello hobbistico.
Per farla breve: a scopo sperimentale, è una buona idea iniziare con un kit 9DoF + GPS.
Il sensore dell'asse Z è divergente in presenza della gravità terrestre. Se sei più in alto di quanto pensi, stimerai che G sia troppo alto e calcolerai che stai cadendo, quindi volerai sempre più in alto. Stesso problema se sei più basso di quanto pensi. Quindi G sarà più alto di quanto stimato, quindi penserai di tirarti su e compenserai andando a naso in giù. Non dipendere da Z. Inoltre, la maggior parte dei giroscopi integrati sono in realtà giroscopi di velocità che devono essere integrati per sviluppare un angolo reale. Sfortunatamente, ciò ti lascia suscettibile all'offset CC intrinseco nel sensore. ...
... Senza altri dati sentirai che stai girando e genererai un vero giro per compensare. La fusione dei sensori ei filtri di Kalman sono la risposta qui. I magnetometri possono essere i tuoi amici per stimare ed eliminare l'offset CC del giroscopio.
@cmm: Sensor fusion e filtri di Kalman per quali input?
@GregMcNulty questa è una domanda diversa, anche se cercherò di aggiungere una riga quando avrò il tempo. Considera l'idea di chiederlo su https://robotics.stackexchange.com/, poiché non sono sicuro che sia adatto per questo sito.
pericynthion
2019-07-10 09:47:19 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Probabilmente è possibile solo con il ricevitore GPS, ma non sarebbe facile e potresti dover scendere a compromessi sul design della cellula per ottenere la necessaria stabilità passiva.

Il set tradizionale di sensori per questo tipo di applicazione è, più o meno in ordine di priorità:

  1. GPS
  2. Giroscopio a 3 assi
  3. Accelerometro a 3 assi
  4. Magnetometro a 3 assi
  5. pitot
  6. banderuola alfa o pitot multiporta
  7. banderuola beta
  8. baro altimetro
  9. laser, radar o altimetro a ultrasuoni se vuoi fare atterraggi autonomi

Poiché questo è il tuo primo UAV, ti consiglio vivamente di avere il primo 4 sensori e probabilmente il n. 5 e / o il n. 6 (ma magari usali per la diagnostica e l'analisi piuttosto che per il controllo, poiché possono essere un po 'complicati con non linearità e affidabilità).

Non così! # 1, # 8 e un terzo di # 2 hanno attraversato l'Atlantico. Vedi la mia risposta.
@pericynthion: grazie, buone informazioni .... quale di questi aiuterebbe con la stabilità?
quiet flyer
2019-07-10 18:49:06 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Se vuoi solo che il tuo UAV voli verso un waypoint, potresti farlo con un sensore GPS da solo, se fosse basato su un aereo molto stabile come un "Gentle Lady" o "Radian" r.c. aliante, a patto di non farlo volare con vento molto forte dove c'era la possibilità che l'aereo andasse all'indietro rispetto al suolo quando puntava contro il vento e volava a velocità di trim. Suppongo che probabilmente vorresti anche un sensore di altitudine, a meno che tu non voglia applicare una potenza sufficiente per far salire lentamente l'aereo durante la parte autonoma del volo. Ovviamente, potresti semplicemente ottenere le informazioni sull'altitudine dal sensore GPS.

Se decidessi di aggiungere un giroscopio a 1 asse per il tasso di imbardata, questo consentirebbe un controllo più fluido. Ma nel contesto di un aereo molto stabile come piattaforma di base, non hai davvero bisogno di altro, se il tuo obiettivo fondamentale è mantenerlo semplice.

Parlando dal punto di vista di chi ha controllava con successo un velivolo ultraleggero nel cloud utilizzando solo un indicatore elettronico della velocità di virata a 1 asse, GPS e bussola bagnata e la bussola girava all'indietro per metà del tempo. Il controllo in specifiche circostanze limitate (ad es. Aria liscia, non tentando di girare in tondo costante con corrente ascensionale termica, facendo solo virate a velocità molto bassa) era possibile senza l'indicatore della velocità di virata, e un robot avrebbe sicuramente fatto un lavoro migliore di un essere umano. / p>

Esegui solo test sufficienti per assicurarti che il velivolo non sia soggetto a forti oscillazioni "phugoid" del beccheggio al baricentro che stai utilizzando.

Quindi puoi farlo con un solo GPS fintanto che il vento è fermo e hai un aereo estremamente stabile senza disturbi come coppia del motore, lievi asimmetrie della fusoliera, ecc.? Puoi fornire un esempio di questo lavoro nella vita reale?
Inoltre, hai controllato un aereo con * "indicatore della velocità di virata, GPS e bussola bagnata" * e l'IMU incorporata che hai nelle orecchie. Certo, non è troppo preciso e si satura facilmente, ma l'errore di associazione è davvero irritante. -1
"Quindi puoi farlo con un solo GPS fintanto che il vento è fermo e hai un aereo estremamente stabile senza disturbi come la coppia del motore, lievi asimmetrie della fusoliera, ecc.? Puoi fornire un esempio di questo funzionamento nella vita reale ? " - basta google "aeromodelli a volo libero" per vedere cosa è possibile fare con la stabilità intrinseca. Che hanno un solo motore e prop, quindi la coppia non è un problema, ma funziona comunque. Elimina il requisito per la ripida salita iniziale e sembra banale usare le informazioni di un GPS per volare verso un waypoint.
@AEhere praticamente qualsiasi aeroplano RC di tipo "addestratore" volerà abbastanza bene "a mani libere" (dalle levette di comando) in condizioni ragionevoli - è progettato in modo da correggere un errore lasciandolo andare. La scala temporale in cui è necessario applicare la correzione della rotta o dell'altitudine rientra nelle capacità di un GPS che mantiene la visualizzazione di un numero ragionevole di satelliti. Detto questo, un aliante non è proprio la piattaforma giusta, quelli sono progettati per l'efficienza non per la stabilità e quindi richiedono un pilotaggio più attivo per mantenere una rotta. Pensa a Cessna, Piper o Champ astratti con diedro extra.
@ChrisStratton Da allora sono stato istruito sulla controllabilità di un sistema, ma insisto ancora sul fatto che la condizione che il velivolo deve rimanere nelle vicinanze del suo regime di volo stabile è piuttosto forte e deve essere esplicitamente dichiarata. La mia lamentela principale con questa risposta non è però quella, ma la falsa equivalenza: l'ho fatto solo con x strumenti, quindi può farlo anche un robot; dimenticando totalmente gli strumenti umani incorporati e la capacità di reagire a situazioni al di fuori del normale inviluppo.
AEhere - in realtà è il contrario, un robot che colpisce i waypoint e mantiene l'altitudine in una parentesi ha un lavoro * molto, molto più semplice * di un pilota RC umano che deve far girare ripetutamente l'aereo prima che voli fuori dalla vista , deve imparare a non mappare le direzioni quando vola verso se stessi e a vedere attraverso false impressioni di atteggiamento che sono facili da certi angoli di visione. Questi non sono aerei che partono da un volo stabile: la maggior parte dei trainer non girerà nemmeno * intenzionalmente * e la maggior parte delle configurazioni del "2 ° anno" si ripristinerà con i controlli neutralizzati.
@ChrisStratton Sto parlando dell'affermazione di quietly di controllare un ultraleggero nel cloud, non del suo commento sui modelli di volo libero. Aveva un enorme vantaggio su un FCS con gli strumenti che rivendicava, ma trae un'equivalenza.
@quietflyer, Pienamente d'accordo. Le persone che consigliavano una moltitudine di sensori apparentemente non hanno mai costruito un modello di volo libero. Forse aggiungerei che per una piattaforma così stabile, è necessario solo 1 controllo DOF (timone) o 2 (+ potenza per altitudine) e può essere guidato direttamente dal computer di guida. Il resto si prenderà cura di se stesso.
@ChrisStratton concorda con il commento sul fatto che alcune altre piattaforme sono migliori degli alianti. L'alto rapporto L / D tende ad incoraggiare il fugoide del tono. Anche nella vela in schiuma c'è molta flessione. Ad un certo punto modificherà.
Camille Goudeseune
2019-07-10 22:30:25 UTC
view on stackexchange narkive permalink
  • GPS
  • Sensore barometrico occasionalmente ricalibrato dal GPS
  • Contagiri per mantenere costante il regime del motore a pistoni
  • Giroscopio per stabilità al rollio

Questi input erano sufficienti per un volo transatlantico a catena di waypoint autonomo sedici anni fa.

Affascinante, grazie per aver condiviso questo!
E scommetto che avrebbero potuto andare bene senza il baro, specialmente con un GPS più recente con una frequenza di uscita di 10 Hz.
@camille-goudeseune: wow molto bello ... mi sento come se ci stessi divertendo troppo con il nome dell'uav =)
@quietflyer Non è un progetto di volo libero, ma ha abbastanza diedro per accoppiare rollio e imbardata, per cosa useresti gli accelerometri? O perché ti interessa se le ali sono a livello fintanto che stai andando nella direzione giusta? Sospetto che avessero un giroscopio perché non avevano una bussola e quindi avevano bisogno di utilizzare le informazioni sulla direzione GPS a sviluppo lento per la correzione dello sterzo. Questo era prima che si potesse acquistare un'IMU con strap-down a 6 assi riprogrammabile per $ 15 in un negozio di giocattoli; oggi ovviamente andresti con un chip a 9 assi e deciderai in seguito cosa è utile, ma la domanda riguarda i minimi.
@ChrisStratton minor nitpick: roll e yaw sono sempre accoppiati nelle strutture dei velivoli convenzionali, ciò che il diedro fa qui è stabilizzare la modalità a spirale, che è la più probabile che ti dia problemi altrimenti.
@ChrisStratton più tardi ho notato che il collegamento diceva che avevano un giroscopio a velocità di rollio. Veramente penso che potresti usare sia il tasso di rollio che il tasso di imbardata o inclinato per percepire entrambi come da "coordinatore" di virata, ma potrebbe essere difficile farne del tutto senza, a meno che tu non abbia più diedro. Nei miei test l'asse del giroscopio è stato inclinato come da "coordinatore" di turno.
Anche il mio commento avrebbe dovuto dire giroscopio di velocità non accelerometro.
Sanchises
2019-07-12 15:40:38 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Forse un'introduzione sommaria alla teoria del controllo potrebbe aiutarti. Da un punto di vista del controllo, il tuo aereo è un sistema dinamico, che può essere descritto da uno stato e da un modello dinamico.

Lo stato è semplicemente una raccolta di variabili di dove si trova l'aereo in ogni momento. Per una descrizione completa, avresti la posizione e l'atteggiamento nello spazio, così come le loro prime derivate. Qualsiasi altra inerzia può anche avere una propria variabile di stato; ad esempio, la velocità dell'elica.

Le equazioni di stato descrivono come lo stato si evolve nel tempo. Da queste equazioni (specialmente in forma linearizzata), possiamo distillare un numero di modi (eigen). Queste modalità descrivono un certo comportamento del sistema e sono disponibili in due forme: modalità stabile e instabile . Un modo stabile è una dinamica di sistema che, per un input finito (perturbazione), non porta alcuna variabile di stato all'infinito. Si noti che questo non significa che le variabili di stato tornino a un valore costante: un'oscillazione limitata può ancora essere considerata stabile! Una modalità instabile è una dinamica che per un input finito porta a una crescita illimitata di alcune variabili di stato.

Per vedere di quanti sensori hai bisogno, ti occorrono alcune cose. Prima di tutto, vuoi che il tuo sistema sia stabile. Ovviamente, questo significa che vuoi avere una serie di sensori in grado di misurare qualsiasi modalità instabile ( rilevabilità ) e una serie di attuatori in grado di controllare modalità instabili ( stabilizzabilità ) . Ci sono un certo numero di modalità (forse) instabili, la più importante delle quali è la divergenza a spirale . Molti velivoli ad ala fissa non hanno stabilità intrinseca di rollio, quindi vorrai essere in grado di percepire il tuo angolo di rollio (potrebbe funzionare anche un sensore di velocità di imbardata o di rotta, a causa dell'accoppiamento rollio / imbardata). Inoltre, c'è semplicemente il tuo movimento lineare, anch'esso instabile (questo può sembrare controintuitivo, ma tutto ciò significa che puoi allontanarti infinitamente dal tuo punto iniziale viaggiando in linea retta). Per questo, ti consigliamo un qualche tipo di sensore di posizione (molto probabilmente, un GPS).

Tutte le altre modalità dinamiche non sono intrinsecamente instabili in un velivolo ad ala fissa, sebbene il tuo un particolare design può avere alcune instabilità aggiuntive, come un movimento fugoide instabile, per il quale si desidera essere in grado di misurare e controllare il movimento del beccheggio.

Quindi, il minimo assoluto è da due a tre sensori (latitudine e longitudine e probabilmente rollio o imbardata) e usa il feed-forward per tutte le altre variabili (imposta il trim e la potenza in base all'altitudine e alla velocità desiderate, e basta). In pratica, nessuno costruirà un UAV con solo tre sensori. Ci sono due ragioni per questo,

  • Inesattezza del sensore. L'atteggiamento di misurazione è difficile. Un giroscopio andrà inevitabilmente alla deriva nel tempo e, come tale, avrai bisogno di altri sensori per correggere questo problema.
  • Prestazioni. Idealmente vuoi viaggiare in linea retta verso il bersaglio, non oscillare a sinistra ea destra in pigri semicerchi mentre dondoli su e giù per un fugoide, pregando una divinità adatta che le impostazioni di trim e potenza lascino abbastanza margine per superare quella montagna su una giornata calda.

Per un UAV per hobby, in genere si scopre che i sensori sono relativamente economici, grazie ai MEMS. In genere useresti un accelerometro a 3 assi, un giroscopio a 3 assi (velocità di rollio) e un magnetometro a 3 assi (bussola) e perché non avere anche un barometro e un termometro? E poiché usi un GPS, potresti anche usare i suoi dati di altitudine. Se utilizzi un motore CC senza spazzole, non dovrebbe essere necessario misurare la velocità dell'elica. Penso che troverai molto più facile creare un UAV funzionante con questi componenti standard (e un software open source che è tipicamente scritto per questi sensori) che trovare un sensore giroscopico ad asse singolo e scrivere il tuo software.

Inoltre, l'utilizzo di più sensori semplifica notevolmente la tua osservabilità . Questa è l'idea di poter inferire lo stato del sistema dalle uscite. In teoria, se il tuo modello è sufficientemente complesso, hai bisogno di pochissimi sensori per stimare lo stato corrente (dead reckoning). Tuttavia, se puoi effettivamente misurare i tuoi stati, il tuo modello non è più così importante e il tuo UAV sarà in grado di rispondere molto meglio ed essere meno sensibile ai cambiamenti nell'ambiente o nello stesso UAV.

Esiste una stabilità intrinseca al rollio, come risultato della dinamica che coinvolge lo scivolamento laterale; altrimenti i modellini di aeroplani a volo libero sarebbero impossibili.
@quietflyer Suppongo che tu abbia ragione. Cambierò la risposta di conseguenza.
È un'ottima risposta, ma forse a una domanda leggermente diversa da quella che è stata posta! Per favore lascia perdere comunque :)
Mi piace molto questa risposta, ma come puoi vedere c'è un certo dibattito sulla stabilità delle modalità laterale-direzionale. La modalità a spirale può essere stabilizzata a un livello sufficiente da poterla evitare in modo sicuro dalle esigenze dei nostri sensori? Oppure una modalità spirale stabile sarebbe semplicemente come sussidienza del tiro, in quanto i tassi di lancio tendono a morire ma rimane il tiro assoluto?
@sanchises: davvero buone informazioni grazie. Quali \ quante equazioni di stato sono necessarie?
@GregMcNulty Temo che la risposta sia: tante quante ne ritieni necessarie per descrivere adeguatamente le tue dinamiche di volo. Un buon inizio sarebbe un libro sulle dinamiche di volo.
Craig S. Cottingham
2019-07-11 00:26:11 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Il progetto ArduPilot ha probabilmente già svolto gran parte del lavoro per te, se sei più interessato al risultato finale che al processo di creazione per te stesso. Anche se scegli di non utilizzare il loro software, probabilmente ci sono buone informazioni su quali sensori e quanti sono necessari.

@craig-s-cottingham: grazie, sì, questo sarà il mio riferimento mentre continuo a reinventare la ruota per scopi di apprendimento ...


ⓘ
Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 4.0 con cui è distribuito.
Loading...