Precisão da altitude e da fusão

O Nano foi construído em torno de um sensor de pressão de qualidade muito elevada e, na revisão 4 e posteriores, também de um sensor de movimento. Esta página explica de onde vêm os seus valores, qual a sua precisão e os poucos fatores que os podem afetar, para saber o que esperar dos dados.

O sensor de pressão

A altitude no Nano resulta da medição da pressão do ar, com o Bosch BMP581, um dos sensores barométricos mais precisos disponíveis. É um sensor capacitivo de 24 bits com uma precisão relativa de cerca de meio metro, e ruído suficientemente baixo para detetar variações de altitude de apenas alguns centímetros. O seu design capacitivo é um passo em frente em relação aos sensores piezorresistivos usados em designs anteriores, com muito menos ruído, menor consumo e taxas de dados mais altas. Mede também a sua própria temperatura e compensa as leituras de pressão no chip, o que mantém a pressão em bruto precisa à medida que o sensor aquece ou arrefece.

Pomos o BMP581 a funcionar a 80 Hz com sobreamostragem de 16 vezes: para cada valor de pressão que fornece, faz 16 medições internas e calcula a média, por isso cerca de 1 280 medições por segundo entram nos dados. Isto troca velocidade de conversão em bruto por muito menos ruído, com velocidade de sobra até para uma aceleração inicial rápida. Em termos simples, o sensor é muito mais preciso do que a atmosfera que mede é previsível, por isso raramente é o fator limitante dos resultados.

As placas das revisões 1 a 3 usam o Bosch BMP390, mais antigo e piezorresistivo, a 50 Hz com sobreamostragem de 8 vezes, o máximo que suporta. Continua a ser um sensor muito capaz, e só foi produzido um pequeno número de placas iniciais antes da passagem para o BMP581.

Como a altitude é calculada

O Nano converte a pressão medida numa altura usando a atmosfera padrão internacional (ISA), o modelo usado na aviação e nas competições, com uma pressão ao nível do mar de 1013,25 hPa e uma temperatura de 15 °C. Estes valores são fixos no firmware e não podem ser alterados, por isso cada voo, e cada participante, é medido exatamente na mesma base. A conversão corresponde exatamente à fórmula da FAI:

altitude (m) = ((15 + 273,15) ÷ 0,0065) × (1 − (pressão ÷ 1013,25)0.190266669)

No entanto, a pressão é só parte da história. Em cada voo há momentos em que a pressão do ar que o sensor vê está errada: o motor e o fluxo de ar perturbam-na no lançamento, a carga de ejeção envia um impulso pelo foguete, e o vento e a luz podem causar picos. Até o ar que passa pelos orifícios de ventilação pode causar erros na pressão. Por si só, uma curva de pressão mostraria isso como falsas subidas e descidas.

Por isso, quando o voo é guardado, o Nano aplica o nosso processamento TrueFuse e TruePath a todo o voo. Na revisão 4 e posteriores, o TrueFuse usa o sensor de movimento para manter a altitude correta durante o lançamento, onde a pressão não é de confiança, e atravessa outras perturbações curtas de pressão. O TruePath remove depois picos como o impulso da ejeção e suaviza a curva. A altitude, a velocidade e o apogeu do registo vêm dessa curva corrigida, e a altitude barométrica em bruto é guardada ao lado, para poder ver sempre o que o sensor mediu.

O funcionamento, e como a velocidade e o apogeu são calculados, está na página TrueFuse, TruePath e apogeu.

A referência do solo

Cada altura é medida a partir da plataforma de lançamento, por isso o Nano precisa de um zero sólido. No fim do arranque, faz uma breve série de leituras de pressão, descarta a mais alta e a mais baixa e calcula a média das restantes, o que dá um ponto de partida limpo mesmo que o foguete esteja a ser movido.

Enquanto espera na plataforma, guarda um registo dos últimos segundos e acompanha a deriva lenta da pressão à medida que o tempo muda, ignorando saltos súbitos como encaixar uma ogiva. Quando é detetado um lançamento, o zero de todo o voo é definido pela média das leituras de 4 a 8 segundos antes desse momento. A média de quatro segundos de dados remove o ruído e, como essas leituras são anteriores à descolagem, a própria subida não pode puxar o zero para cima.

O zero é a média das leituras de 4 a 8 segundos antes da deteção de lançamento, todas anteriores à descolagem, e é usado durante todo o voo.

O que afeta a altitude na prática

O sensor em si raramente é o limite. O que faz variar os valores é o ar no dia, o próprio voo e a forma como o Nano está instalado.

As condições do dia

O Nano calcula a altura com a atmosfera padrão: uma pressão do ar ao nível do solo de 1013,25 hPa e uma temperatura de 15 °C. No dia, o ar real quase nunca é exatamente assim, e ambos afetam a forma como uma variação de pressão se traduz numa variação de altura:

• Temperatura. O ar quente é mais rarefeito do que a norma pressupõe, por isso o foguete sobe mais para a mesma queda de pressão, e o ar frio faz o contrário. O efeito é de cerca de 1% por cada 3 °C de diferença em relação a 15 °C.
• Pressão do ar. A pressão no local de lançamento depende do tempo e da altitude do local. Quando difere da norma, a altura varia muito ligeiramente, cerca de 0,2% por cada 10 hPa.

São efeitos pequenos, e pode corrigir ambos depois do voo. No gráfico do voo no Altimeter Cloud, introduza a pressão real ao nível do solo e a temperatura do dia, e o gráfico recalcula a altitude em conformidade. Pode depois transferir o registo de voo ajustado, se precisar.

O próprio voo

• Lançamento. O motor e a corrente de ar ao sair da plataforma perturbam a pressão por um momento.
• Fluxo de ar pelos orifícios de ventilação. A velocidade e o ângulo do foguete em relação ao fluxo de ar alteram a pressão que os orifícios veem.
• Voo transónico e supersónico. Perto e acima da velocidade do som, as ondas de choque em torno do foguete podem causar grandes erros de pressão.
• Ejeção. A carga envia um impulso de pressão pelo foguete.

Por si só, estes efeitos apareceriam como falsas subidas e descidas. O TrueFuse e o TruePath corrigem a maioria deles quando o voo é guardado, e a altitude barométrica em bruto é sempre mantida no registo ao lado da corrigida.

A instalação

• Orifícios de ventilação. O sensor só é tão bom quanto o ar que consegue ver. Orifícios a menos, demasiado pequenos ou mal colocados fazem a leitura atrasar-se ou oscilar. Consulte a calculadora de orifícios de ventilação.
• Luz. Os sensores de pressão são sensíveis à luz, por isso monte o Nano sob a sua tampa e mantenha os orifícios de ventilação pequenos. Consulte Instalar o altímetro.

O Nano

• Aquecimento após USB. O carregamento aquece um pouco a placa. Se o Nano acabou de estar em USB, deixe-o em modo de voo até seis minutos para estabilizar à temperatura ambiente antes de lançar.
• Altitude muito elevada. O sensor está especificado até cerca de 300 hPa, cerca de 9 200 m (30 000 ft) na atmosfera padrão. Acima disso, muito provavelmente continuará a registar uma altitude plausível, mas a sua precisão não está caracterizada, por isso não a podemos garantir.

O sensor de movimento (revisão 4 e posteriores)

As placas da revisão 4 e posteriores têm também um sensor de movimento ST LSM6DSO32, acelerómetro e giroscópio num só. Ambos funcionam sempre na sua gama completa, por isso nem uma aceleração inicial forte sai da escala. Fornecem a curva de aceleração, os ângulos de lançamento e da calha e a inclinação durante o voo, ajudam a confirmar um lançamento real, e são o que o TrueFuse usa para corrigir a altitude durante o lançamento e noutros momentos em que a pressão não é de confiança.

Com high_speed_sensor ativo, a predefinição, o sensor de movimento amostra a 1 667 Hz (ou o giroscópio a 3 333 Hz com a definição 2) e cada linha registada é a média dessas amostras. Isto contraria o efeito da vibração do motor e da estrutura nas leituras, pelo que a aceleração, a rotação e os ângulos registados ficam mais limpos.

Para os ângulos, o giroscópio acompanha a atitude do foguete durante o voo a partir de um zero que mede na plataforma. O acelerómetro só é considerado onde mede realmente a gravidade, na plataforma e numa descida lenta, porque o impulso e a rotação o tornam enganador. Isso impede que o impulso do motor desvie os ângulos, que é onde os filtros de fusão genéricos falham num foguete. Não há magnetómetro, por isso o rumo pode derivar lentamente, mas no curto período de um voo essa deriva mantém-se pequena.

Para tirar o máximo partido, monte o Nano com firmeza e alinhado com o foguete, calibre a IMU, e deixe o foguete parado na plataforma cerca de um minuto antes do lançamento para o Nano afinar o giroscópio. Uma montagem solta estraga os ângulos.

O que o registo guarda

Cada coluna é guardada com uma precisão adequada ao que mede, e não com todos os algarismos do sensor, o que mantém os ficheiros num tamanho gerível com todo o pormenor necessário. Os registos ACLZ, a predefinição, contêm os mesmos dados com a mesma precisão de um CSV, mais a altitude barométrica em bruto antes de qualquer processamento.

Os tempos são relativos à descolagem, por isso as linhas da plataforma antes do lançamento são negativas. As colunas de movimento existem apenas nas placas da revisão 4 e posteriores. Consulte Formato do registo de voo para a estrutura completa.