Биард Р.У., МакЛэйн Т.У. Малые БЛА - теория и практика (2015) (1245764), страница 52
Текст из файла (страница 52)
Линии уровней для pdf 2-мерной гауссовой случайной переменнойÏÐÈËÎÆÅÍÈÅ HÏàðàìåòðû äàò÷èêàЭто приложение приводит параметры шумов и ошибок для нескольких серийно выпускаемых датчиков, которые обычно используются в автопилоте МБЛА.Для каждого из датчиков имеются многочисленные источники ошибок. Некоторые из них носят случайный характер, такие как шум электроники. Другие,такие как нелинейность, температурная чувствительность и чувствительностьпо поперечной оси, более детерминированы по своей природе.
Предполагается, что эти источники детерминированных ошибок могут быть значительносокращены в процессе тщательной калибровки и компенсации, как это делается большинством производителей автопилотов, при этом остаточная доляоставшихся ошибок имеют случайные характеристики.Выборку у датчиков угловой скорости, акселерометров и датчиков давлениявыполняют всякий раз через цепь управления автопилотом. Обычно частота выборки составляет от 50 до 100 Гц. Обозначим периодичность выполнения выборки цепи управления через Ts. Цифровые компасы и GPS-приемники являютсяцифровыми устройствами с более низкой частотой обновления, которая зависитот конкретной модели датчика. Обозначим эту периодичность выборок черезTs,compass и Ts,GPS и зададим значения периодов для типичных датчиков ниже.H.1.
Датчик угловой скоростиПримером подходящего датчика угловой скорости на базе микроэлектромеханической системы, подходящего для автопилота МБЛА, является аналоговоеустройство ADXRS-450. Это устройство имеет диапазон ±350 град./с, полосупропускания 80 Гц и интенсивность шума 0,015 град./с/ Гц. Среднеквадратическое отклонение ошибок измерений, обусловленных шумами датчика, составляетs гиро.,* = N B ,где B – полоса пропускания, а N – интенсивность шума.
Для ADXRS-540 этоприводит к s гиро.,* = 0,13 град./с. К источникам детерминированной ошибкиотносится чувствительность по поперечной оси (±3%), нелинейность (0,05% отвсей шкалы) и чувствительность по ускорению (0,03 град./с/g).H.2. АкселерометрыПримером подходящего акселерометра на базе микроэлектромеханическойсистемы, подходящего для автопилота МБЛА, является аналоговое устройствоADXL-325. Это устройство имеет диапазон ±6 g и переменную полосу пропускания от 0,5 до 550 Гц. Для автопилота типичная полоса пропускания составляет100 Гц. Устройство имеет интенсивность шума 250 mg/ Гц.
Среднеквадратическое отклонение ошибок измерений, обусловленных шумами датчика, составляетs Аксел.,* = N B ,Приложение H299которая для ADXL-325 приводит к s Аксел.,* = 0,0025 g. К источникам детерминированной ошибки относится чувствительность по поперечной оси (±1%) инелинейность (0,2% от всей шкалы).H.3.
Датчики давленияПримером датчика абсолютного давления, который можно использоватьдля измерений высоты, является полупроводниковый датчик MP3H-6115A. Онимеет диапазон от 15 до 115 кПа, и его максимальная погрешность ограничена1,5 полной шкалы измерений или ±1,5 кПа. Точность измерений датчикаограничивается ошибками нелинейности, температурной чувствительностью игистерезисом давления. Опыт применения датчиков абсолютного давления показал, что тщательная калибровка может сократить ошибки измерений, обусловленные температурным дрейфом, до 0,125 кПа и до 0,01 кПа из-за шумовдатчика.
Поэтому вАбс. давление = 0,125 кПа и уАбс. давление = 0,01 кПа.Полупроводниковый датчик MPXV-5004G является примером датчика измерений разностного давления, подходящим для использования в качестве датчикавоздушной скорости. Он имеет диапазон измерений от 0 до 4 кПа с максимальной ошибкой в 2,5 процента от полной шкалы или 0,1 кПа.
Точность датчикаограничивается ошибками линейности, температурной чувствительностью и гистерезисом давления. Опыт применения датчиков измерения разностного давления показал, что тщательная калибровка может сократить ошибки измерений,обусловленные температурным дрейфом, до 0,02 кПа и до 0,002 кПа из-за шумовдатчика. Поэтому вРазн. давления = 0,020 кПа и уРазн. давления = 0,002 кПа.H.4.
Цифровой компас/магнитометрПримером цифрового компаса, подходящего для небольших беспилотныхаппаратов, является Honeywell HMR3300. Это трехкоординатное устройство скомпенсацией наклона со встроенным микроконтроллером для обработки сигналов. Уровень точности измерений составляет ±1 град. и ±3 градуса при наклоне ±30 град. Он имеет воспроизводимость в 0,5 градуса и частоту обновления в 8 Гц (Ts,compass = 0,125 с.).
Предполагая, что часть точности ошибкивоспроизводимости обусловлена неопределенностью угла склонения и чточасть ошибки происходит из-за электромагнитных помех, подходящим среднеквадратическим отклонением шумов и систематической погрешности является умагнит = 0,3 град. и вмагит = 1 градус.H.5. GPSИсточники ошибок GPS-измерений и моделирование ошибки GPS-измерений подробно описаны в разделе 7.5.
Периодичность выборки для GPS может меняться от 0,2 до 2 с. Для наших целей будем предполагать, что периодичность выборки для GPS Ts,GPS = 1,0 с.ÑÏÈÑÎÊ ËÈÒÅÐÀÒÓÐÛ1. R. C. Nelson, Flight Stability and Automatic Control. Boston,MA:McGraw-Hill,2nd ed., 1998.2. J. Roskam, Airplane Flight Dynamics and Automatic Flight Controls, Parts I & II.Lawrence, KS: DARcorporation, 1998.3.
J. H. Blakelock, Automatic Control of Aircraft and Missiles. NewYork: John Wiley& Sons, 1965.4. J. H. Blakelock, Automatic Control of Aircraft and Missiles. NewYork: John Wiley& Sons, 2nd ed., 1991.5. M. V. Cook, Flight Dynamics Principles. New York: John Wiley & Sons, 1997.6.
B. Etkin and L. D. Reid, Dynamics of Flight: Stability and Control.NewYork: JohnWiley & Sons, 1996.7. B. L. Stevens and F. L. Lewis, Aircraft Control and Simulation. Hoboken, NJ:JohnWiley & Sons, Inc., 2nd ed., 2003.8. D. T. Greenwood, Principles of Dynamics. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall,2nd ed., 1988.9.
T. R. Kane and D. A. Levinson, Dynamics: Theory and Applications. New York:McGraw Hill, 1985.10. M.W. Spong and M. Vidyasagar, Robot Dynamics and Control. NewYork: JohnWiley & Sons, Inc., 1989.11. M. D. Shuster, “A survey of attitude representations,” The Journal of the Astronautical Sciences, vol. 41, pp. 439–517, October–December 1993.12. T. R. Yechout, S. L. Morris, D. E. Bossert, andW. F.
Hallgren, Introduction toAircraft Flight Mechanics. AIAA Education Series, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2003.13. M. Rauw, FDC 1.2 - A SIMULINK Toolbox for Flight Dynamics and Control Analysis, February 1998. Available at http://dutchroll.sourceforge.net/fdc.html.14.
H. Goldstein, Classical Mechanics. Cambridge, MA: Addison-Wesley, 1951.15. A. V. Rao, Dynamics of Particles and Rigid Bodies: A Systematic Approach. Cambridge: Cambridge University Press, 2006.16. M. J. Sidi, Spacecraft Dynamics and Control. Cambridge Aerospace Series. NewYork: Cambridge University Press, 1997.17. S. S. Patankar, D. E.
Schinstock, and R. M. Caplinger, “Application of pendulum method to UAVmomental ellipsoid estimation,” in 6th AIAA Aviation Technology, Integration and Operations Conference (ATIO), AIAA 2006-7820, September 2006.301Список литературы18. M. R. Jardin and E. R. Mueller, “Optimized measurements of UAV mass moment of inertia with a bifilar pendulum,” in Proceedings of the AIAA Guidance,Navigation, and Control Conference and Exhibit, AIAA 2007-6822, August 2007.19. J. B. Marion, Classical Dynamics of Particles and Systems.
NewYork: AcademicPress, 2nd ed., 1970.20. W. E. Wiesel, Spaceflight Dynamics. New York: McGraw Hill, 2nd ed., 1997.21. J. R.Wertz, ed., Spacecraft Attitude Determination and Control. Dordrecht, Neth.:Kluwer Academic Publishers, 1978.22. R. F. Stengel, Flight Dynamics. Princeton, NJ: Princeton University Press, 2004.23. K. S. Fu, R. C. Gonzalez, and C.S.G. Lee, Robotics: Control, Sensing, Vision,and Intelligence. New York: McGraw-Hill, 1987.24. J. W. Langelaan, N.
Alley, and J. Niedhoefer, “Wind field estimation for smallunmanned aerial vehicles,” in AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, AIAA 2010-8177, August 2010.25. W. F. Phillips, Mechanics of Flight. New Jersey:Wiley, 2nd ed., 2010.26. R. Rysdyk, “UAV path following for constant line-of-sight observation,” in AIAAJournal of Guidance, Control, and Dynamics, vol.
29, no. 5, pp. 1092–1100, 2006.27. J. Osborne and R. Rysdyk, “Waypoint guidance for small UAVs in wind,” inProceedings of the AIAA Infotech@Aerospace Conference, September 2005.28. G. F. Franklin, J. D. Powell, andM.Workman, Digital Control of Dynamic Systems. Menlo Park, CA: AddisonWesley, 3rd ed., 1998.29. R.W. Beard, “Embedded UAS autopilot and sensor systems,” in Encyclopedia ofAerospace Engineering (R. Blockley and W. Shyy, eds.), pp.
4799 – 4814. Chichester, UK: JohnWiley & Sons, Ltd, 2010.30. G. F. Franklin, J. D. Powell, and A. Emami-Naeini, Feedback Control of Dynamic Systems. Menlo Park, CA: AddisonWesley, 4th ed., 2002.31. “U.S. standard atmosphere, 1976.” U.S. Government Printing Office, Washington, D.C., 1976.32. National Oceanic and Atmospheric Administration, “The world magneticmodel.”http://www.ngdc.noaa.gov/geomag/WMM/, 2011.33.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
