Barometrischer Drucksensor-Verzögerung und wie man sie korrigiert

Jeder protokollierte Druckhöhenwert ist zum Zeitpunkt der Aufzeichnung bereits veraltet. Hier erfahren Sie, wie weit, warum wir es früher falsch gemessen haben und welche Gleichung wir stattdessen verwenden.

Wenn Sie ein Barometer und einen Beschleunigungssensor nebeneinander protokollieren, müssen Sie irgendwann eine knifflige Frage beantworten. Beschreiben die beiden Spalten wirklich denselben Moment im Flug? Die Antwort ist nein, und die Lücke ist größer als die meisten erwarten.

Ein Druckwert hat eine ADC-Konvertierung durchlaufen, hat in einem Ausgaberegister gewartet, bis er abgerufen wurde, ist durch den eigenen Hardware-IIR-Filter des Sensors gegangen und dann normalerweise auch durch einen Software-Filter, alles bevor irgendetwas es mit einem Zeitstempel versieht. Addiert man all das zusammen, sagt Ihnen die Zahl, die Sie protokollieren, wo sich die Rakete vor 90 bis 190 Millisekunden befunden hat, je nach Sensor und Einstellungen. Bei 60 m/s sind das 6 bis 11 Meter Höhe. Der Beschleunigungssensor ist derweil praktisch live.

Die beiden Datenströme müssen also aufeinander abgestimmt werden. Die Frage ist, wie man herausfindet, um wie viel.

Am Ende der Seite gibt es auch Beispielcode, den Sie verwenden können.

Warum wir überhaupt danach gesucht haben

Nichts davon wäre aufgetaucht, wenn wir die beiden Spalten einfach still nebeneinander in einer CSV liegen gelassen hätten. Es kam ans Licht wegen unseres neuen TrueFuse-Filters.

TrueFuse ist unsere live korrigierte Höhenlinie. Drucksensoren können nur sehen, was sie sehen, und in spezifische, gut verstandene Wege bekommen sie es falsch. Die, die im Flug zählen, sind Starterflammenschweife im Zündungsmoment, transsonische Schwingungen und der Druckspitzenwert, wenn eine Auswurfladung im Rumpf ablöst. TrueFuse beobachtet diese und repariert sie, indem es den Beschleunigungssensor als unabhängigen Zeugen in einem begrenzten Fenster nutzt, und verankert sich dann wieder beim Barometer, wenn das Fenster schließt. Das Barometer bleibt die Wahrheitsquelle. Der Beschleunigungssensor darf nur sagen, dass ein bestimmter Druckdatenabschnitt nicht vertraut werden sollte.

Das funktioniert schön, bis die beiden Spalten nicht ausgerichtet sind. Dann schreit der Beschleunigungssensor, dass die Rakete hart steigt, während das Barometer, das von einem anderen Moment liest, sagt, dass sie sich kaum bewegt hat. Das sieht genau wie ein Druckfehler aus. Der Filter tut also genau das, wofür er gebaut wurde, öffnet ein Reparaturfenster und repariert einen Fehler, der nie da war.

Dies ist Flug 1860, und die erkannte Synchronisation war um 876 ms falsch. Schauen Sie sich das linke Bedienfeld an. Ein Reparaturfenster öffnet sich fast sofort und bleibt zwei volle Sekunden offen, und die Live-Linie steigt auf etwa 122 m, während die unbearbeitete Drucklinie und die nachverarbeitete Linie beide etwa 41 m sagen. Wenn sich das Fenster endlich schließt und der Filter sich wieder verankert, muss die Linie herunterkommen, also fällt sie auf etwa 96 m ab, bevor sie sich erholt und alles andere um etwa 3,3 Sekunden wieder einfängt. Dieser Hook ist nicht die Rakete, die etwas macht. Es ist der Filter, der einen Fehler korrigiert, den er selbst erfunden hat.

Das rechte Bedienfeld ist der gleiche Flug mit korrigierter Synchronisation. Die Reparaturfenster landen dort, wo sie sein sollten, sie sind viel kürzer, und Live-, Nach- und Rohdruck sitzen auf dem gesamten Aufstieg aufeinander.

Das ist die echte Kosten des falschen Sync. Es ist nicht nur eine leicht schief CSV. Alles, das beide Sensoren verbraucht, erbt den Fehler, und ein Filter, dessen ganze Aufgabe es ist, Meinungsverschiedenheiten zwischen ihnen zu erkennen, wird auf eine Meinungsverschiedenheit reagieren, die Sie selbst hergestellt haben. Es sagte uns auch etwas anderes, denn 876 ms auf einem Flug und 300 ms auf einem anderen ist keine Messung, die etwas driftet. Es ist eine Methode, die nicht zuverlässig funktioniert und vermieden werden sollte.

Wie wir es früher gemacht haben und warum es falsch war

Unsere Firmware maß den Offset bei jedem Flug. Bei Startererkennung blickte sie durch den Puffer zurück und fand zwei Dinge: die Probe, bei der der Beschleunigungssensor die 1-G-Bande verließ, was Zündung ist, und die Probe, bei der die Druckhöhe die Startschwelle überschritt. Die Differenz zwischen ihnen wurde zu sample_sync, und die IMU-Spalten wurden um diese Anzahl von Proben verzögert, um das Barometer zu treffen.

Es klingt vernünftig. Das ist es nicht, und Flug 2621 zeigt genau, wie schlecht es fehlschlägt. Bei diesem Flug beschloss die Firmware, dass der Offset 75 Proben war. Bei 250 Hz sind das 300 Millisekunden.

Schauen Sie sich an, wo der Motor anzündet. In genau dieser Reihe sagt das Barometer, die Rakete ist bereits 0,21 m vom Startplatz weg und macht 11,9 m/s. Das ist nicht passiert. Nichts bewegte sich, bevor der Motor anzündete. Im gesamten Boost sitzen die beiden Spalten 205 Millisekunden auseinander, und alles Nachgelagerte, das Barometer- und Beschleunigungsmesserdaten mischt, wird mit zwei verschiedenen Momenten gefüttert.

Woher die 300 ms kamen

Hier ist das Bit, das ich lange Zeit falsch hatte. Der Detektor misst überhaupt nicht die Sensorverzögerung. Es misst das Intervall zwischen zwei Schwellwertübergängen, und nur ein Teil dieses Intervalls ist Verzögerung.

Durch Rekonstruktion der echten Flugbahn aus dem Beschleunigungssensor dauerte es 109 ms für die Rakete, physikalisch vom Startplatz auf die 0,20-m-Startschwelle zu steigen. Das ist keine Verzögerung. Das ist eine Rakete, die 20 Zentimeter klettert, und wie lange es dauert, hängt ganz vom Motor ab. Das Barometer brauchte dann weitere 191 ms, um es zu berichten. Addiert man sie zusammen, bekommt man die 300 ms, die die Firmware ermittelt hat.

Beide Hälften sind ein Problem. Die Steigerungszeit ändert sich mit jedem Motor, den Sie fliegen, also gibt Ihnen ein schneller H eine Antwort und ein träger D gibt Ihnen eine andere, auf demselben Board, mit demselben Sensor, mit derselben echten Verzögerung. Und die 191 ms sind die Sensorverzögerung bei etwa 4 m/s gemessen, was sich als der schlechteste Moment im Flug herausstellt, um sie zu messen, aus Gründen, auf die ich noch eingehe. Die Verzögerung für den Rest dieses Fluges war näher bei 111 ms.

Der alte Ansatz maß also eine Zahl, die teilweise der Motor war, teilweise das Startgeräusch, teilweise die Bodenreferenz und nur teilweise das, was es messen sollte. Es war nie wiederholbar.

Die Verzögerung ist kein Rätsel, es ist Arithmetik

Das, was endlich klar wurde, ist, dass es hier nichts zu entdecken gibt. Jeder Begriff der Verzögerung folgt aus der Konfiguration, die die Firmware beim Hochfahren bereits kennt: welcher Sensor montiert ist, das Oversampling, der IIR-Koeffizient, die Filtereinstellung und die Abtastrate. Sie müssen einen Flug nicht herausfinden. Sie können es berechnen, bevor die Rakete den Boden jemals verlässt.

Fünf Begriffe, und nur einer davon ist überhaupt knifflig.

Begriff

Was es ist

tconv/2 Umwandlungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrierungszentrieru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