Altitude and fusion accuracy

O Nano é construído em torno de um sensor de pressão de muito alta qualidade e, a partir da Rev4, também de um sensor de movimento. Esta página explica de onde vêm seus números, como são precisos e as poucas coisas que podem afetá-los, para que você saiba o que esperar de seus dados.

A altitude no Nano vem da medição da pressão do ar e, para isso, ele usa o Bosch BMP581, um dos sensores barométricos mais precisos disponíveis. É um sensor capacitivo de 24 bits com precisão relativa de cerca de meio metro e ruído baixo o suficiente para detectar mudanças de altitude de apenas alguns centímetros. É um dos sensores capacitivos mais recentes da Bosch, um avanço em relação à tecnologia piezoresistiva usada em designs anteriores, e essa mudança é o que lhe dá muito menos ruído, consumo de energia muito menor e taxas de dados mais altas. Em poucas palavras, o sensor é muito mais preciso do que a atmosfera que está medindo é previsível, então raramente é o fator limitante em seus resultados. Ele também mede sua própria temperatura e compensa suas leituras de pressão para isso direto no chip, algo que muitos sensores mais simples não fazem, o que mantém a pressão bruta precisa conforme o sensor aquece ou esfria.

Para obter a leitura mais limpa possível, executamos o BMP581 a 80 Hz com 16 vezes de oversampling. Isso significa que para cada valor de pressão que ele produz, o sensor realiza 16 medições internas e as tira a média, totalizando cerca de 1.280 medições de pressão por segundo alimentando os dados. O oversampling dessa forma troca a velocidade de conversão bruta por muito menos ruído, e a 80 Hz ainda há muito poder disponível mesmo para um impulso rápido. O BMP581 pode fazer oversampling até 32 vezes, mas 16 oferece o melhor equilíbrio entre ruído e taxa para voo.

As placas Rev3 e anteriores usam o mais antigo Bosch BMP390, um sensor piezoresistivo, funcionando a 50 Hz com 8 vezes de oversampling, que é o máximo desse sensor, para cerca de 400 medições por segundo. É ainda um sensor muito capaz, e apenas um pequeno número de placas iniciais foi produzido antes da mudança para o BMP581.

O Nano converte a pressão medida em altura usando a atmosfera padrão internacional, o mesmo modelo usado em toda a aviação e competições de voo. Assume uma pressão ao nível do mar de 1013,25 hPa e uma temperatura de 15°C. Usar um padrão fixo como este é deliberado: significa que cada voo e cada piloto são medidos exatamente na mesma base, que é o que registros de competição precisam.

A conversão exata é a fórmula atmosférica padrão:

Aqui temperature é a temperatura usada no cálculo em °C, hpa_pressure é a leitura atual do sensor, e sea_level_pressure é a pressão ao nível do mar. No Nano a temperatura e pressão ao nível do mar são fixas nos valores padrão acima, então cada voo é calculado exatamente na mesma base. É a mesma fórmula bem estabelecida usada por altímetros em todo o hobby.

Há duas maneiras de pensar sobre a altura. Sua altitude acima do solo, a altura acima da rampa de lançamento, é o que a maioria das pessoas se importa, e é muito confiável, porque o Nano se zera na rampa e mede a subida a partir daí. Sua altitude acima do nível do mar depende da pressão do ar real no dia, que a figura padrão de 1013,25 hPa raramente combinará exatamente.

Em todo o processo, a pressão bruta é limpa pela filtragem True Path, que remove picos ocasionais e suaviza o traço sem atrasar o movimento real. Os detalhes completos de como o True Path funciona e como a velocidade e apogeu são calculados a partir dos dados limpos estão na página True Path e apogeu.

Sua altura é sempre medida em relação ao solo, então o Nano precisa de um ponto zero sólido como rocha para trabalhar. Em vez de fazer uma única leitura, enquanto fica armado na rampa, ele mantém uma média contínua cobrindo pouco mais de cinco segundos de leituras de pressão. Para economizar energia enquanto espera, o Nano coleta essas em uma taxa de ociosidade mais baixa de cerca de 50 leituras por segundo (veja os modos de energia nas configurações), então a média chega a aproximadamente 281 leituras. Note que esta é a taxa em que as leituras são armazenadas, separada dos 80 Hz e 16 vezes de oversampling em que o próprio sensor funciona. Suavizar cinco segundos de dados remove o ruído e oferece uma referência de solo muito estável, e porque atualiza continuamente também acompanha a lenta mudança na pressão do ar conforme o tempo muda durante uma longa espera na rampa.

Essa referência média é mantida com um pequeno atraso para que o lançamento em si não possa puxá-la para cima. No instante em que um lançamento é detectado, o Nano trava a média de solo estabilizada como o zero para todo o voo, e cada altura no log é então medida a partir dela. Combinado com o pré-buffer contínuo que salva os poucos segundos antes do lançamento, isso significa que tanto o verdadeiro nível do solo quanto o momento do levantamento são capturados perfeitamente.

A média contínua passa pelo ruído para oferecer um zero estável e é mantida para que o lançamento em si não levante a referência.

Como o sensor em si é tão bom, as coisas que realmente movem seus números são principalmente relacionadas ao ar e à instalação:

• Temperatura. O cálculo de altura assume 15°C. Em um dia quente ou frio, o ar real é mais denso ou mais fino do que isso, o que dimensiona ligeiramente a altura. É um efeito pequeno e é uma das coisas que você pode corrigir depois.
• Aquecimento após USB. Carregar e manter conectado por USB aquece um pouco a placa. Se o Nano foi conectado recentemente a USB, deixe-o em modo de voo por até seis minutos para que volte à temperatura ambiente antes do lançamento. Isso permite que as leituras se estabilizem completamente.
• Clima e pressão real. A pressão padrão ao nível do mar raramente corresponde à pressão real do dia. Isso principalmente desloca a figura acima do nível do mar em vez de sua altura acima do solo.
• Ventilação e fluxo de ar. O sensor é tão bom quanto o ar que consegue ver, então furos de ventilação apropriados e uma instalação limpa importam. Há mais sobre isso na página de instalação.
• Luz. Como um sensor aberto, ele pode ser perturbado pela luz, então mantê-lo sombreado ajuda. Novamente, veja a página de instalação.
• Altitude muito alta. O sensor de pressão é classificado até cerca de 300 hPa, que é cerca de 9.000 metros (perto de 30.000 pés) na atmosfera padrão, então esse é seu teto especificado. Acima disso, está fora da faixa classificada do sensor. Provavelmente continuará gravando uma altitude credível, mas a precisão além deste ponto não é caracterizada, então não podemos garantir.

Para quase todos os voos, a altura acima do solo é a figura em que confiar e é excelente.

Em placas Rev4 e posteriores, o Nano também possui um sensor de movimento LSM6DSO32, combinando um acelerómetro e um giroscópio. Sempre executamos ambos em suas faixas completas, ±32 G e ±2000 graus por segundo, então até um impulso difícil e rápido nunca sai da escala. Isso é o que oferece o ângulo de lançamento, a inclinação ao longo do voo e o traço de aceleração, e também é usado para confirmar um lançamento real. É uma medição separada da altitude, que sempre vem do sensor de pressão.

Para converter as leituras brutas do acelerómetro e giroscópio nos ângulos de pitch, roll e tilt que você vê, o Nano executa um filtro de fusão de sensor Madgwick, que em nossos próprios testes lidou com as exigências de voo notavelmente melhor do que as alternativas. O giroscópio é excelente para rastrear rotação rápida, mas por si só pequenos erros se acumulariam lentamente e o ângulo se afastaria da verdade. O filtro verifica continuamente o giroscópio contra a visão do acelerómetro da gravidade e o corrige gentilmente, o que mantém a inclinação estável. Sem um magnetômetro não há rumo de bússola absoluta, então o rumo ainda pode vagar lentamente ao longo do tempo, mas ao longo do curto espaço de um voo de foguete, a deriva permanece pequena. Na prática, os ângulos são surpreendentemente precisos e genuinamente utilizáveis, particularmente uma vez que os sensores tenham sido calibrados, o que remove o viés que causa a maioria da deriva em primeiro lugar.

Para aproveitar ao máximo, monte o Nano com firmeza para que não possa se mover, defina a configuração de orientação para corresponder a como ele fica no foguete e calibre-o. As figuras de ângulo são tão boas quanto a placa sendo mantida imóvel em uma orientação conhecida, então uma montagem solta ou uma configuração de orientação incorreta as prejudicará. Há mais nas páginas de calibração e configurações.

Seu log de voo é um arquivo CSV e cada coluna é salva com uma precisão que se adequa ao que ela mede em vez da resolução bruta do sensor. Escrever cada leitura até seu último dígito apenas preencheria o arquivo com figuras mais finas do que a medição é significativa, então o Nano arredonda cada coluna sensatamente. Isso mantém os arquivos em um tamanho gerenciável enquanto mantém todos os detalhes que você precisa. As colunas exatas dependem da placa, pois Rev4 e posterior adicionam os dados de movimento.

O log não é mantido com a resolução absoluta completa dos sensores, mas cada coluna é mantida com uma precisão que é mais que suficiente para analisar o voo em detalhes. A temperatura muda lentamente, então é registrada cerca de uma vez por segundo em vez de em cada linha.

Como a altura a bordo usa a atmosfera padrão, o Altimeter Cloud permite que você a refine após o voo usando as condições reais. No gráfico de voo você pode inserir a pressão real do nível do solo e a temperatura ambiente do dia, e o gráfico recalculará a altitude para corresponder. Se precisar, você pode então baixar o log de voo ajustado com as figuras corrigidas.