De Nano is gebouwd rond een zeer hoogwaardige druksensor en vanaf revisie 4 ook een bewegingssensor. Deze pagina legt uit waar zijn getallen vandaan komen, hoe nauwkeurig ze zijn en welke paar dingen ze kunnen beïnvloeden, zodat je weet wat je van je data kunt verwachten.
De druksensor
De hoogte op de Nano komt uit het meten van de luchtdruk, met de Bosch BMP581, een van de nauwkeurigste barometrische sensoren die er zijn. Het is een capacitieve sensor van 24 bits met een relatieve nauwkeurigheid van ongeveer een halve meter, en zo weinig ruis dat hij hoogteveranderingen van maar een paar centimeter oppikt. Zijn capacitieve ontwerp is een stap verder dan de piëzoresistieve sensoren in eerdere ontwerpen, met veel minder ruis, een lager verbruik en hogere datasnelheden. Hij meet ook zijn eigen temperatuur en compenseert zijn drukmetingen op de chip, waardoor de ruwe druk nauwkeurig blijft als de sensor opwarmt of afkoelt.
We laten de BMP581 draaien op 80 Hz met 16 keer oversampling: voor elke drukwaarde die hij afgeeft, doet hij 16 interne metingen en middelt die, zodat er zo'n 1 280 metingen per seconde in de data terechtkomen. Dat ruilt ruwe conversiesnelheid in voor veel minder ruis, met ruim voldoende snelheid over voor zelfs een snelle boost. Simpel gezegd is de sensor veel preciezer dan de atmosfeer die hij meet voorspelbaar is, dus hij is zelden de beperkende factor in je resultaten.
Bordjes van revisie 1 tot 3 gebruiken de oudere Bosch BMP390, een piëzoresistieve sensor, op 50 Hz met 8 keer oversampling, het maximum dat hij ondersteunt. Het is nog steeds een zeer capabele sensor, en er zijn maar weinig vroege bordjes gemaakt voor de overstap naar de BMP581.
launch_detect op 1 m, zet de Nano op een bureau en wacht op de groene knipperingen. Gooi hem dan op iets dat minstens anderhalve meter hoger is, zoals de bovenkant van een hoge kast, en laat hem daar liggen. Een worp geeft meestal niet genoeg aanhoudende stuwkracht voor de snelle lanceerroute, dus hij bevestigt na 2,5 seconden op hoogte alleen, en daarom moet hij ergens landen waar hij boven de lanceerdetectiehoogte blijft. De eindhoogte in de grafiek is de hoogte van de kast boven het bureau, verrassend nauwkeurig voor een meting op basis van druk. Vergeet niet launch_detect terug te zetten voordat je gaat vliegen.Hoe de hoogte wordt berekend
De Nano zet de gemeten druk om in een hoogte met de internationale standaardatmosfeer (ISA), het model dat in de luchtvaart en bij wedstrijdvliegen wordt gebruikt, met een luchtdruk op zeeniveau van 1013,25 hPa en een temperatuur van 15 °C. Deze waarden liggen vast in de firmware en kunnen niet worden gewijzigd, dus elke vlucht, en elke vlieger, wordt op precies dezelfde basis gemeten. De omrekening komt exact overeen met de FAI-formule:
hoogte (m) = ((15 + 273,15) ÷ 0,0065) × (1 − (druk ÷ 1013,25)0.190266669)
Druk is echter maar een deel van het verhaal. In elke vlucht zijn er momenten waarop de luchtdruk die de sensor ziet niet klopt: de motor en de luchtstroom verstoren hem bij de lancering, de uitwerplading stuurt een drukpuls door de raket, en wind en licht kunnen pieken veroorzaken. Zelfs de lucht die langs de ventilatiegaten stroomt kan fouten in de druk veroorzaken. Op zichzelf zou een drukcurve die laten zien als valse klimmen en dalingen.
Daarom laat de Nano bij het opslaan van de vlucht onze TrueFuse- en TruePath-verwerking over de hele vlucht lopen. Vanaf revisie 4 gebruikt TrueFuse de bewegingssensor om de hoogte tijdens de lancering, waar de druk niet te vertrouwen is, correct te houden, en overbrugt hij andere korte drukverstoringen. TruePath verwijdert daarna pieken zoals de uitwerppuls en maakt de curve glad. De hoogte, snelheid en het apogeum in je log komen uit die gecorrigeerde curve, en de ruwe barometrische hoogte wordt ernaast bewaard, zodat je altijd kunt zien wat de sensor heeft gemeten.
Hoe het werkt, en hoe snelheid en apogeum worden berekend, staat op de pagina TrueFuse, TruePath en apogeum.
Het grondreferentiepunt
Elke hoogte wordt gemeten vanaf het lanceerplatform, dus de Nano heeft een rotsvast nulpunt nodig. Aan het einde van het opstarten doet hij een korte reeks drukmetingen, laat de hoogste en laagste weg en middelt de rest, wat een schoon beginpunt geeft, zelfs als de raket wordt verplaatst.
Tijdens het wachten op het lanceerplatform houdt hij de laatste paar seconden bij en volgt hij de langzame verschuiving van de druk als het weer verandert, terwijl hij plotselinge sprongen zoals het plaatsen van een neuskegel negeert. Als een lancering wordt gedetecteerd, wordt het nulpunt voor de hele vlucht bepaald uit het gemiddelde van de metingen 4 tot 8 seconden vóór dat moment. Het middelen van vier seconden data verwijdert de ruis, en omdat die metingen van vóór de lancering zijn, kan de klim zelf het nulpunt niet omhoog trekken.
Het nulpunt is het gemiddelde van de metingen 4 tot 8 seconden vóór de lanceerdetectie, allemaal van vóór de lancering, en wordt voor de hele vlucht gebruikt.
Wat de hoogte in de praktijk beïnvloedt
De sensor zelf is zelden de beperking. Wat de getallen beweegt, is de lucht op de dag zelf, de vlucht zelf en hoe de Nano is geïnstalleerd.
De omstandigheden op de dag
De Nano berekent de hoogte met de standaardatmosfeer: een luchtdruk op grondniveau van 1013,25 hPa en een temperatuur van 15 °C. Op de dag zelf is de echte lucht bijna nooit precies zo, en beide beïnvloeden hoe een drukverandering wordt omgezet in een hoogteverandering:
- Temperatuur. Warme lucht is ijler dan de standaard aanneemt, dus de raket klimt verder voor dezelfde drukdaling, en koude lucht juist andersom. Het effect is ruwweg 1% per 3 °C afwijking van 15 °C.
- Luchtdruk. De druk op het lanceerterrein hangt af van het weer en van hoe hoog het terrein ligt. Als hij afwijkt van de standaard, schaalt de hoogte heel licht mee, met ruwweg 0,2% per 10 hPa.
Dit zijn kleine effecten, en je kunt voor beide na de vlucht corrigeren. Voer in de vluchtgrafiek op de Altimeter Cloud de werkelijke luchtdruk op grondniveau en de temperatuur van die dag in, en de grafiek herberekent de hoogte. Je kunt daarna de aangepaste vluchtlog downloaden als je die nodig hebt.
De vlucht zelf
- Lancering. De motor en de luchtstoot bij het verlaten van het lanceerplatform verstoren de druk even.
- Luchtstroom langs de ventilatiegaten. Snelheid en de hoek van de raket ten opzichte van de luchtstroom veranderen de druk die de ventilatiegaten zien.
- Transsone en supersone vlucht. Rond en boven de geluidssnelheid kunnen schokgolven rond de raket grote drukfouten veroorzaken.
- Uitwerpen. De lading stuurt een drukpuls door de raket.
Op zichzelf zouden deze verschijnen als valse klimmen en dalingen. TrueFuse en TruePath corrigeren de meeste ervan bij het opslaan van de vlucht, en de ruwe barometrische hoogte wordt altijd naast de gecorrigeerde in de log bewaard.
De installatie
- Ventilatiegaten. De sensor is zo goed als de lucht die hij kan zien. Te weinig, te kleine of slecht geplaatste gaten laten de meting achterlopen of zwerven. Zie de Ventilatiegat-calculator.
- Licht. Druksensoren zijn gevoelig voor licht, dus monteer de Nano onder zijn afdekkap en houd de ventilatiegaten klein. Zie De hoogtemeter installeren.
De Nano
- Opwarmen na USB. Opladen warmt het bordje een beetje op. Is de Nano net aan USB geweest, laat hem dan tot zes minuten in vluchtmodus staan zodat hij op omgevingstemperatuur komt voordat je lanceert.
- Zeer grote hoogte. De sensor is gespecificeerd tot ongeveer 300 hPa, ongeveer 9 200 m (30 000 ft) volgens de standaardatmosfeer. Daarboven zal hij waarschijnlijk een geloofwaardige hoogte blijven opnemen, maar zijn nauwkeurigheid is daar niet gekarakteriseerd, dus we kunnen er niet voor instaan.
De bewegingssensor (revisie 4 en later)
Bordjes van revisie 4 en later hebben ook een ST LSM6DSO32-bewegingssensor, een versnellingsmeter en gyroscoop in één. Beide draaien altijd op hun volledige bereik, zodat zelfs een harde boost nooit buiten de schaal valt. Ze leveren de versnellingscurve, de lanceer- en railhoek en de helling tijdens de vlucht, helpen een echte lancering te bevestigen, en worden door TrueFuse gebruikt om de hoogte te corrigeren tijdens de lancering en andere momenten waarop de druk niet te vertrouwen is.
| Eigenschap | Versnellingsmeter | Gyroscoop |
|---|---|---|
| Bereik | ±32 g | ±2 000 °/s |
| Resolutie per stap | 0,976 mg | 0,07 °/s |
| Uitvoerresolutie | 16 bits | 16 bits |
Met high_speed_sensor aan, de standaard, bemonstert de bewegingssensor op 1 667 Hz (of de gyroscoop op 3 333 Hz met instelling 2) en is elke gelogde rij het gemiddelde van die meetwaarden. Dat gaat het effect van trillingen van motor en casco op de metingen tegen, zodat de gelogde versnelling, rotatie en hoeken schoner worden.
Voor de hoeken volgt de gyroscoop de stand van de raket tijdens de vlucht vanaf een nulpunt dat hij op het lanceerplatform meet. De versnellingsmeter wordt alleen vertrouwd waar hij echt de zwaartekracht meet, op het lanceerplatform en tijdens een langzame daling, omdat stuwkracht en spin hem misleidend maken. Dat voorkomt dat de stuwkracht van de motor de hoeken wegtrekt, en juist daar schieten algemene fusiefilters in een raket tekort. Er is geen magnetometer, dus de koers kan nog langzaam verlopen, maar tijdens de korte duur van een vlucht blijft die drift klein.
Om er het meeste uit te halen, monteer je de Nano stevig en haaks op de raket, kalibreer je de IMU, en laat je de raket vóór de lancering ongeveer een minuut stil op het lanceerplatform staan zodat de Nano zijn gyroscoop kan verfijnen. Een losse montage gooit de hoeken in de war.
Wat de log opslaat
Elke kolom wordt opgeslagen met een precisie die past bij wat hij meet, in plaats van elk laatste cijfer van de sensor, waardoor de bestanden een beheersbare grootte houden met alle details die je nodig hebt. ACLZ-logs, de standaard, bevatten dezelfde data met dezelfde precisie als een CSV, plus de ruwe barometrische hoogte vóór elke verwerking.
| Kolom | Eenheden | Opgeslagen als |
|---|---|---|
| Tijd | ms | 2 decimalen (10 microseconden) |
| Hoogte | m | 3 decimalen |
| Snelheid | m/s | 2 decimalen |
| Versnelling X, Y, Z | mg | Hele getallen |
| Totale versnelling | mg | 1 decimaal |
| Gyroscoop X, Y, Z | °/s | Hele getallen |
| Stamp, rol, gier, helling | graden | 2 decimalen |
| Temperatuur bordje | °C | 2 decimalen, elke 50e rij |
Druk (Rev 1 tot 3, of met include_pressure) | hPa | 6 decimalen, berekend uit de eindhoogte |
Tijden zijn relatief aan de lancering, dus de rijen van het lanceerplatform vóór de lancering zijn negatief. De bewegingskolommen zijn er alleen op bordjes van revisie 4 en later. Zie Vluchtlogformaat voor de volledige indeling.