Altitud y precisión de fusión

El Nano se construye alrededor de un sensor de presión de muy alta calidad y, a partir de la Rev4 en adelante, también un sensor de movimiento. Esta página explica de dónde provienen sus números, cuán precisos son, y las pocas cosas que pueden afectarlos, para que sepa qué esperar de sus datos.

La altitud en el Nano proviene de medir la presión del aire, y para eso utiliza el Bosch BMP581, uno de los sensores barométricos más precisos disponibles. Es un sensor capacitivo de 24 bits con una precisión relativa de alrededor de medio metro y ruido lo suficientemente bajo como para detectar cambios de altitud de solo unos pocos centímetros. Es uno de los sensores capacitivos más nuevos de Bosch, un paso adelante de la tecnología piezoresistiva utilizada en diseños anteriores, y ese cambio es lo que le da un ruido significativamente menor, un consumo de energía mucho más bajo y velocidades de datos más altas. En pocas palabras, el sensor es mucho más preciso de lo que la atmósfera que mide es predecible, por lo que rara vez es el factor limitante en sus resultados. También mide su propia temperatura y compensa sus lecturas de presión en el mismo chip, algo que muchos sensores más simples no hacen, lo que mantiene la presión sin procesar precisa cuando el sensor se calienta o se enfría.

Para obtener la lectura más limpia posible, ejecutamos el BMP581 a 80 Hz con sobremuestreo de 16 veces. Eso significa que por cada valor de presión que produce, el sensor toma 16 mediciones internas y las promedia, por lo que alrededor de 1.280 mediciones de presión cada segundo alimentan los datos. El sobremuestreo de esta manera intercambia velocidad de conversión sin procesar por mucho menos ruido, y a 80 Hz todavía hay suficiente velocidad disponible incluso para un impulso rápido. El BMP581 puede sobremuestrear hasta 32 veces, pero 16 proporciona el mejor equilibrio entre ruido y velocidad para el vuelo.

Las placas Rev3 e inferiores utilizan el antiguo Bosch BMP390 en su lugar, un sensor piezoresistivo, funcionando a 50 Hz con sobremuestreo de 8 veces, que es el máximo de ese sensor, para alrededor de 400 mediciones por segundo. Es todavía un sensor muy capaz, y solo se fabricaron un pequeño número de placas antiguas antes del cambio al BMP581.

El Nano convierte la presión medida en altura usando la atmósfera estándar internacional, el mismo modelo utilizado en toda la aviación y vuelos de competencia. Asume una presión a nivel del mar de 1013,25 hPa y una temperatura de 15°C. Usar un estándar fijo como este es deliberado: significa que cada vuelo y cada piloto se mide exactamente en la misma base, que es lo que necesitan los registros de competencia.

La conversión exacta es la fórmula de atmósfera estándar:

Aquí temperature es la temperatura utilizada en el cálculo en °C, hpa_pressure es la lectura actual del sensor, y sea_level_pressure es la presión a nivel del mar. En el Nano, la temperatura y la presión a nivel del mar se fijan en los valores estándar anteriores, por lo que cada vuelo se calcula exactamente en la misma base. Es la misma fórmula bien establecida utilizada por altímetros en todo el hobby.

Hay dos formas de pensar en la altura. Tu altitud sobre el suelo, la altura sobre la plataforma de lanzamiento, es lo que la mayoría de las personas le importa, y es muy confiable, porque el Nano se pone a cero en la plataforma y mide la subida desde allí. Tu altitud sobre el nivel del mar depende de la presión del aire real del día, que la cifra estándar de 1013,25 hPa rara vez coincidirá exactamente.

En todo momento, la presión sin procesar se limpia mediante nuestro filtrado True Path, que elimina los ocasionales picos y suaviza el trazo sin rezagarse respecto al movimiento real. El detalle completo de cómo funciona True Path y cómo se calculan la velocidad y el apogeo a partir de los datos limpios se encuentra en la página True Path y apogeo.

Tu altura siempre se mide en relación con el suelo, por lo que el Nano necesita un punto cero muy sólido del cual trabajar. En lugar de tomar una única lectura, mientras se sienta armado en la plataforma, mantiene un promedio móvil que cubre poco más de cinco segundos de lecturas de presión. Para ahorrar energía mientras espera, el Nano recopila estas a una velocidad de inactividad más baja de alrededor de 50 lecturas por segundo (ver los modos de energía en la configuración), por lo que el promedio resulta en aproximadamente 281 lecturas. Tenga en cuenta que esta es la velocidad a la que se almacenan las lecturas, separada de los 80 Hz y el sobremuestreo de 16 veces que el sensor en sí funciona. Suavizar más de cinco segundos de datos elimina el ruido y proporciona una referencia de suelo muy estable, y porque se actualiza continuamente también rastrea la deriva lenta en la presión del aire a medida que el clima cambia durante una larga espera en la plataforma.

Esa referencia promediada se mantiene con un pequeño retraso para que el lanzamiento en sí no pueda arrastrar el cero hacia arriba. El instante en que se detecta un lanzamiento, el Nano bloquea el promedio de suelo asentado como el cero para todo el vuelo, y cada altura en el registro se mide entonces desde él. Combinado con el búfer previo rodante que guarda los pocos segundos antes del lanzamiento, esto significa que tanto el nivel de suelo verdadero como el momento del despegue se capturan limpiamente.

El promedio móvil navega a través del ruido para dar un cero estable, y se mantiene para que el lanzamiento en sí no eleve la referencia.

Debido a que el sensor en sí es tan bueno, las cosas que realmente cambian tus números están principalmente relacionadas con el aire y la instalación:

• Temperatura. El cálculo de altura asume 15°C. En un día cálido o frío, el aire real es más denso o más delgado que eso, lo que escala ligeramente la altura. Es un efecto pequeño, y es una de las cosas que puedes corregir después.
• Calentamiento después de USB. Cargar y estar conectado calientan un poco la placa. Si el Nano ha estado conectado a USB recientemente, déjalo en modo de vuelo durante hasta seis minutos para que se estabilice nuevamente a la temperatura circundante antes de lanzar. Esto permite que las lecturas se estabilicen completamente.
• Clima y presión real. La presión a nivel del mar estándar rara vez coincide con la presión real del día. Esto principalmente cambia la cifra sobre el nivel del mar en lugar de tu altura sobre el suelo.
• Ventilación y flujo de aire. El sensor es tan bueno como el aire que puede ver, por lo que los agujeros de ventilación adecuados y una instalación limpia son importantes. Hay más sobre esto en la página de instalación.
• Luz. Como sensor abierto puede ser perturbado por la luz, por lo que mantenerlo sombreado ayuda. De nuevo, ver la página de instalación.
• Altitud muy alta. El sensor de presión tiene un rango de hasta aproximadamente 300 hPa, que es alrededor de 9.000 metros (cerca de 30.000 pies) en la atmósfera estándar, por lo que ese es su techo especificado. Por encima de eso está fuera del rango nominal del sensor. Muy probablemente seguirá registrando una altitud creíble, pero la precisión más allá de este punto no se caracteriza, por lo que no podemos garantizarla.

Para casi todos los vuelos, la altura sobre el suelo es la cifra en la que confiar, y es excelente.

En placas Rev4 y posteriores, el Nano también lleva un sensor de movimiento LSM6DSO32, que combina un acelerómetro y un giroscopio. Siempre ejecutamos ambos en sus rangos completos, ±32 G y ±2000 grados por segundo, para que incluso un impulso duro y rápido nunca salga de escala. Esto es lo que te da el ángulo de lanzamiento, la inclinación durante el vuelo y el trazo de aceleración, y también se usa para confirmar un lanzamiento real. Es una medición separada de la altitud, que siempre proviene del sensor de presión.

Para convertir las lecturas brutas del acelerómetro y giroscopio en los ángulos de inclinación, balanceo y ángulo que ves, el Nano ejecuta un filtro de fusión de sensores Madgwick, que en nuestras propias pruebas manejó las demandas del vuelo notablemente mejor que las alternativas. El giroscopio es excelente para rastrear rotaciones rápidas, pero por sí solo los pequeños errores se acumularían lentamente y el ángulo se desviaría de la verdad. El filtro verifica continuamente el giroscopio contra la vista del acelerómetro de la gravedad y lo corrige suavemente, lo que mantiene la inclinación estable. Sin un magnetómetro no hay rumbo de brújula absoluta, por lo que el rumbo aún puede desviarse lentamente con el tiempo, pero en el corto lapso de un vuelo de cohete la desviación se mantiene pequeña. En la práctica, los ángulos son sorprendentemente precisos y genuinamente utilizables, especialmente una vez que los sensores se han calibrado, lo que elimina el sesgo que causa la mayor parte de la desviación en primer lugar.

Para sacar el máximo provecho de él, monta el Nano firmemente para que no pueda moverse, establece la configuración de orientación para que coincida con cómo se sienta en el cohete, y calibralo. Los números de ángulo son tan buenos como la placa siendo sostenida en una orientación conocida, por lo que un montaje suelto o una configuración de orientación incorrecta los echará a perder. Hay más en las páginas de calibración y configuración.

Tu registro de vuelo es un archivo CSV, y cada columna se guarda con una precisión que se adapta a lo que mide en lugar de la resolución bruta del sensor. Escribir cada lectura hasta su último dígito solo llenaría el archivo con cifras más finas de lo que la medición es significativa, por lo que el Nano redondea sensiblemente cada columna. Esto mantiene los archivos a un tamaño manejable mientras se mantiene todo el detalle que necesitas. Las columnas exactas dependen de la placa, ya que Rev4 y posteriores agregan los datos de movimiento.

Entonces el registro no se mantiene en la resolución absoluta completa de los sensores, pero cada columna se mantiene con una precisión que es más que suficiente para analizar el vuelo en detalle. La temperatura cambia lentamente, por lo que se registra aproximadamente una vez por segundo en lugar de en cada fila.

Porque la altura a bordo usa la atmósfera estándar, el Altimeter Cloud te permite refinarla después del vuelo usando las condiciones reales. En el gráfico de vuelo puedes ingresar la presión a nivel del suelo real y la temperatura ambiente del día, y el gráfico recalculará la altitud para que coincida. Si lo necesitas, puedes descargar el registro de vuelo ajustado con las cifras corregidas.