Dokładność wysokości i fuzji

Nano zbudowany jest wokół czujnika ciśnienia bardzo wysokiej jakości, a na Rev4 i nowszych również czujnika ruchu. Ta strona wyjaśnia, skąd pochodzą jego wartości, jak dokładne są i kilka rzeczy, które mogą je wpłynąć, abyś wiedział, czego spodziewać się ze swoich danych.

Wysokość na Nano pochodzi z pomiaru ciśnienia powietrza, a do tego wykorzystuje Bosch BMP581, jeden z najtrafniejszych czujników barometrycznych dostępnych. To 24-bitowy czujnik pojemnościowy o względnej dokładności około pół metra i szumem wystarczająco niskim, aby wykryć zmiany wysokości zaledwie kilku centymetrów. Jest to jeden z nowszych czujników pojemnościowych Boscha, krok naprzód od technologii piezorezystywnej używanej w wcześniejszych projektach, a ta zmiana dała mu znacznie niższy szum, znacznie mniejsze pobieranie mocy i wyższe szybkości danych. Mówiąc prościej, czujnik jest znacznie bardziej precyzyjny niż atmosfera, którą mierzy, jest przewidywalna, więc rzadko stanowi czynnik ograniczający w twoich wynikach. Mierzy również swoją własną temperaturę i kompensuje odczyty ciśnienia bezpośrednio na chipie, coś, czego wiele prostszych czujników nie robi, co utrzymuje surowe ciśnienie dokładnym, gdy czujnik się nagrzewa lub ochładza.

Aby uzyskać najczystszy możliwy odczyt, uruchamiamy BMP581 przy 80 Hz z 16-krotnym nadpróbkowaniem. Oznacza to, że dla każdej wartości ciśnienia, którą wysyła, czujnik wykonuje 16 wewnętrznych pomiarów i je uśrednia, więc około 1280 pomiarów ciśnienia co sekundę trafia do danych. Nadpróbkowanie w ten sposób zamienia surową szybkość konwersji na znacznie niższy szum, a przy 80 Hz jest jeszcze dużo miejsca na szybkie wznoszenie. BMP581 może nadpróbkować do 32 razy, ale 16 daje najlepszy balans między szumem a szybkością dla lotu.

Płyty Rev3 i wcześniejsze używają starszego Bosch BMP390, czujnika piezorezystywnego, pracującego przy 50 Hz z 8-krotnym nadpróbkowaniem, które jest maksimum tego czujnika, dla około 400 pomiarów na sekundę. To wciąż bardzo zdolny czujnik, a tylko mała liczba wczesnych płyt została wykonana przed przejściem na BMP581.

Nano przelicza zmierzone ciśnienie na wysokość przy użyciu międzynarodowej standardowej atmosfery, tego samego modelu używanego w całej lotnictwie i lotach konkurencyjnych. Zakłada ciśnienie na poziomie morza 1013,25 hPa i temperaturę 15°C. Użycie stałego standardu jak ten jest celowe: oznacza to, że każdy lot i każdy pilota są mierzeni dokładnie na tej samej podstawie, co wymagają zapisy konkurencji.

Dokładne przeliczenie to standardowa formuła atmosferyczna:

Tutaj temperature to temperatura używana w obliczeniach w °C, hpa_pressure to bieżący odczyt czujnika, a sea_level_pressure to ciśnienie na poziomie morza. Na Nano temperatura i ciśnienie na poziomie morza są stałe na wartościach standardowych powyżej, więc każdy lot jest obliczany dokładnie na tej samej podstawie. To ta sama dobrze ugruntowana formuła używana przez altimetry w całym hobby.

Są dwa sposoby myślenia o wysokości. Twoja wysokość nad ziemią, wysokość nad stanowiskiem startowym, to to, na czym zależy większości ludzi, i jest to bardzo niezawodne, ponieważ Nano zeruje się na stanowisku i mierzy wspinaczkę z tego miejsca. Twoja wysokość nad poziomem morza zależy od rzeczywistego ciśnienia powietrza w danym dniu, które liczba 1013,25 hPa bardzo rzadko dokładnie pasuje.

Przez cały czas surowe ciśnienie jest czyszczone przez nasze filtrowanie True Path, które usuwa okazjonalne szpile i wygładza ślad bez zalegania za rzeczywistym ruchem. Pełne szczegóły dotyczące sposobu działania True Path i sposobu obliczania prędkości i apogeum z czyszczonych danych znajdują się na stronie True Path i apogeum.

Twoja wysokość jest zawsze mierzona względem ziemi, więc Nano potrzebuje solidnego punktu zerowego, od którego zacząć. Zamiast pobierać jeden odczyt, podczas gdy siedzi on uzbrojony na stanowisku, utrzymuje średnią ruchomą obejmującą nieco ponad pięć sekund odczytów ciśnienia. Aby zaoszczędzić energię podczas czekania, Nano zbiera te odczyty przy niższej szybkości bezczynności około 50 odczytów na sekundę (patrz tryby energii w ustawieniach), więc średnia wynosi około 281 odczytów. Zauważ, że to szybkość odczytów jest przechowywana, oddzielona od 80 Hz i 16-krotnego nadpróbkowania, które sam czujnik pracuje. Wygładzanie przez pięć sekund danych usuwa szum i daje bardzo stabilne odniesienie gruntu, a ponieważ aktualizuje się stale, również śledzi powolny dryf ciśnienia powietrza, gdy warunki pogodowe zmieniają się podczas długiego czekania na stanowisku.

To uśrednione odniesienie jest przechowywane z krótkim opóźnieniem, dzięki czemu sam start nie może go pociągnąć w górę. W chwili wykrycia startu, Nano blokuje ustalone średnie uziemienie jako zero dla całego lotu, a każda wysokość w dzienniku jest następnie mierzona od niego. W połączeniu z buforowaniem wstępnym, które zapisuje kilka sekund przed startem, oznacza to, że zarówno rzeczywisty poziom gruntu, jak i moment wzlotu są rejestrowane czystoczyśnie.

Średnia ruchoma przechodzi przez szum, aby dać stabilne zero, i jest przechowywana, aby sam start nie podniósł odniesienia.

Ponieważ sam czujnik jest tak dobry, rzeczy, które faktycznie zmieniają twoje liczby, są głównie związane z powietrzem i instalacją:

• Temperatura. Obliczenie wysokości zakłada 15°C. W gorący lub zimny dzień rzeczywiste powietrze jest gęstsze lub mniejsze gęste niż to, co nieznacznie skaluje wysokość. To mały efekt i to jedna z rzeczy, które możesz poprawić później.
• Nagrzewanie się po USB. Ładowanie i podłączanie do USB nieco nagrzewają płytę. Jeśli Nano było niedawno podłączone do USB, pozwól mu siedzieć w trybie lotu przez do sześciu minut, aby ostudzić się do otaczającej temperatury przed startem. To pozwala odczytom w pełni się ustabilizować.
• Pogoda i rzeczywiste ciśnienie. Standardowe ciśnienie na poziomie morza rzadko odpowiada rzeczywistemu ciśnieniu w danym dniu. To głównie zmienia powyżej figury na poziomie morza, a nie twoją wysokość nad ziemią.
• Wentylacja i przepływ powietrza. Czujnik jest tak dobry, jak powietrze, które może zobaczyć, więc właściwe otwory wentylacyjne i czysta instalacja mają znaczenie. Więcej na ten temat znajduje się na stronie instalacji.
• Światło. Jako otwarty czujnik może być zaburzone przez światło, więc trzymanie go w cieniu pomaga. Ponownie, patrz strona instalacji.
• Bardzo wysoka wysokość. Czujnik ciśnienia jest oceniany na około 300 hPa, co stanowi około 9000 metrów (blisko 30000 stóp) na standardowej atmosferze, to jego określony pułap. Powyżej tego jest poza zakresem oceny czujnika. Najprawdopodobniej będzie nadal rejestrować wiarygodną wysokość, ale dokładność poza tym punktem nie jest scharakteryzowana, więc nie możemy się za nią zaręczyć.

Dla prawie wszystkich lotów, wysokość nad ziemią to figura, której możesz ufać, i jest doskonała.

Na płytach Rev4 i nowszych Nano również nosi czujnik ruchu LSM6DSO32, łączący akcelerometr i żyroskop. Zawsze uruchamiamy oba w ich pełnych zakresach, ±32 G i ±2000 stopni na sekundę, tak że nawet twardy, szybki boost nigdy nie wychodzi poza skalę. To daje ci kąt startu, przechylenie przez lot i ślad przyspieszenia, i jest również używane do potwierdzenia rzeczywistego startu. To oddzielny pomiar od wysokości, która zawsze pochodzi z czujnika ciśnienia.

Aby zamienić surowe odczyty akcelerometru i żyroskopu na kąty pitch, roll i tilt, które widzisz, Nano uruchamia filtr fuzji czujnika Madgwick, który w naszych własnych testach lepiej obsłużył wymagania lotu niż alternatywy. Żyroskop doskonale śledzi szybki obrót, ale sam małe błędy powoli by się sumowały i kąt byłby oddalony od prawdy. Filtr stale sprawdza żyroskop względem widoku akcelerometru na grawitację i delikatnie go koryguje, co utrzymuje przechylenie stabilne. Bez magnetometru nie ma bezwzględnego kierunku kompasu, więc kierunek może nadal powoli wędrować w czasie, ale w krótkim okresie lotu rakiety dryf pozostaje mały. W praktyce kąty są zaskakująco dokładne i naprawdę użyteczne, szczególnie po kalibracji czujników, co usuwa bias, który powoduje większość dryfu w pierwszej kolejności.

Aby uzyskać z tego maksimum, zamontuj Nano mocno, aby nie mogło się poruszać, ustaw ustawienie orientacji na zgodne z tym, jak siedzi w rakiecie, i je kalibruj. Figury kąta są tylko tak dobre, jak płyta trzymana spokojnie w znanej orientacji, więc luźny montaż lub błędne ustawienie orientacji je wypaczą. Więcej informacji na stronach kalibracji i ustawień.

Twój dziennik lotu to plik CSV, a każda kolumna jest zapisywana z precyzją, która pasuje do tego, co mierzy, zamiast surowej rozdzielczości czujnika. Pisanie każdego odczytu do ostatniej cyfry tylko by wypełniło plik cyframi bardziej precyzyjnymi niż pomiar ma znaczenie, więc Nano rozsądnie zaokrągla każdą kolumnę. To utrzymuje pliki w łatwo zarządzanym rozmiarze, zachowując wszystkie szczegóły, które potrzebujesz. Dokładne kolumny zależą od płyty, ponieważ Rev4 i nowsze dodają dane ruchu.

Dziennik nie jest więc przechowywany z absolutną pełną rozdzielczością czujników, ale każda kolumna jest przechowywana z precyzją, która jest więcej niż wystarczająca do szczegółowej analizy lotu. Temperatura zmienia się powoli, więc jest rejestrowana około raz na sekundę, a nie w każdym wierszu.

Ponieważ wbudowana wysokość używa standardowej atmosfery, Altimeter Cloud pozwala ci ją udoskonalić po locie, używając rzeczywistych warunków. Na wykresie lotu możesz wpisać rzeczywiste ciśnienie na poziomie gruntu i temperaturę otoczenia w danym dniu, a wykres przelicza wysokość do pomiaru. Jeśli potrzebujesz, możesz następnie pobrać dostosowany dziennik lotu ze skorygowanymi figurami.