Fusão de sensores
TrueFuse
O barômetro diz a verdade sobre a altitude, exceto por alguns momentos em cada voo quando não diz. TrueFuse encontra esses momentos conforme ocorrem, os atravessa com dados inerciais e devolve o controle. Pode recusar confiar no barômetro. Nunca pode inventar uma altitude que o barômetro não suportasse.
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Executa
Em tempo real e ao salvar
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Entradas
Baro, acelerômetro, giroscópio
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Pré-análise
Nenhuma
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Modo de falha
Recusar para bruto
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O que dá errado com um barômetro
Um altímetro barométrico mede a pressão estática e a converte em altura. Durante a maior parte de um voo, esta é a fonte de altitude mais confiável do equipamento: não apresenta desvio, não precisa de condição inicial e é imune aos erros que se acumulam em um acelerômetro integrado.
Por alguns segundos desse mesmo voo, ele está muito errado. Três eventos dominam:
- Ejeção. A carga pressuriza a fuselagem e a porta percebe um degrau de pressão que não tem nada a ver com altitude. No gráfico, aparece como um pico ou queda acentuada, dezenas de metros de profundidade, durando algumas centenas de milissegundos.
- Lançamento. A pluma do motor e o fluxo de ar repentino sobre os orifícios de ventilação perturbam a porta antes do foguete sair do trilho, e a altitude registrada pode subir, hesitar ou formar uma saliência enquanto a altitude real ainda está próxima a zero.
- Aberturas mal dimensionadas ou bloqueadas. O volume interno fica atrasado ou fica para trás da pressão externa, então o traço adquire uma forma de escada sob um voo suave.
Um acelerômetro não é afetado por nenhum dos três, mas integrá-lo duas vezes transforma um pequeno desvio em um grande erro de altitude em segundos. Nenhum sensor é bom o suficiente sozinho. TrueFuse usa o barômetro como referência e o acelerômetro apenas para levar a altitude através de uma janela onde o barômetro foi comprovado ser indigno de confiança.
Fig. 1Um evento de ejeção real. A porta de pressão relata uma descida de 40 m e recuperação em um terço de segundo enquanto a fuselagem ainda está em voo. TrueFuse abre uma janela no início, leva a altitude através dela inercialmente e rejunta o barômetro uma vez que concorda novamente. O apogeu, que ocorre após o fechamento da janela, é medido do barômetro como de costume.
Cadeia de sinais
Todos os estágios abaixo são executados no computador de voo. Nada é reconstruído no solo e nada no canal em tempo real usa uma amostra que ainda não tinha sido coletada.
Fig. 2O condicionamento ocorre antes de qualquer decisão de fusão: os canais são alinhados no tempo, a escala do acelerômetro é medida no pad, o giroscópio estabelece qual caminho é para cima, e as amostras saturadas são marcadas. A gramática então decide, amostra por amostra, se o barômetro é confiável. O caminho vermelho é a rota de recusa, quando o próprio voo falha em um teste de validade.
Gramática de janela
TrueFuse mantém um de quatro estados. Os nomes dos estados aparecem nos diagnósticos e descrevem exatamente o que o filtro estava fazendo naquele momento do voo.
Fig. 3Os quatro estados em ordem de voo. Um voo pode abrir várias janelas, lançamento e ejeção sendo o par comum, e a contagem é reportada no cabeçalho do registro como janelas TrueFuse.
Dentro de uma janela
Enquanto uma janela está aberta, a altitude é levada adiante do acelerômetro, projetada na vertical do mundo rastreada, com uma continuação balística de forma fechada usada quando o motor parou e o veículo está em voo. O transporte é ancorado na altitude e velocidade que eram válidas no momento em que a janela abriu, então o erro dentro de uma janela cresce apenas com a duração dessa janela, tipicamente algumas centenas de milissegundos.
As janelas têm uma vida limitada. Se o barômetro não se tornar confiável novamente dentro do limite de tempo, o filtro deixa de transportar e retorna ao barômetro independentemente, porque um transporte que funciona por muito tempo não tem como provar que está certo.
Contrato de design
O barômetro é a referência. O acelerômetro nunca define a altitude, apenas a transporta entre dois ancoradouros barométricos.
Sem pré-análise no canal em tempo real. Toda decisão usa amostras já coletadas. Uma janela é aberta em evidência disponível no momento, não em saber como o traço termina.
Recusar está sempre disponível. Toda guarda neste documento se resolve na mesma ação segura: parar de fundir e sair o barômetro.
Sincronização de sensores
Fundir dois sensores requer saber qual instante cada amostra descreve. Uma amostra de barômetro é antiga no momento em que o processador a vê: o ADC integra a pressão durante uma conversão, o resultado aguarda ser lido, e o próprio filtro do sensor atrasa ainda mais a rampa. Uma amostra de acelerômetro é comparativamente recente. Compará-las sem corrigir isso faz um barômetro perfeitamente bom parecer que discorda de um acelerômetro perfeitamente bom.
O atraso não é medido dos dados de voo. É uma propriedade da configuração e é calculado a partir dela:
- t_conv/2 o ADC integra durante a conversão, então o valor descreve o meio desse intervalo.
- T_odr/2 idade média da conversão mais recente concluída quando o processador a lê.
- c_iir × T_odr o filtro IIR interno do sensor atrasa uma rampa exatamente pelo seu coeficiente em amostras do sensor, não em amostras do loop.
- t_kalman o atraso de rampa do próprio filtro de suavização de altitude, o único termo que varia com a velocidade, e o menor.
- t_imu o pequeno atraso de conversão e filtro do próprio acelerômetro, subtraído porque se aplica ao outro lado.
Atraso calculado do barômetro, milissegundos, na referência de 50 m/s
| Sensor | Config | Parte fixa | Suavização desligada | Leve | Médio | Pesado |
|---|---|---|---|---|---|---|
| BMP581 | 80 Hz, os×16, iir 7 | 99,4 | 95,8 | 106,2 | 111,2 | 118,4 |
| BMP390 | 50 Hz, os×8, iir 7 | 159,5 | 155,9 | 171,7 | 179,0 | 189,3 |
A correção é aplicada atrasando o canal inercial até que seja tão antigo quanto o barométrico. Ambos os canais então descrevem o mesmo instante, que é o que a fusão requer. Uma consequência que vale a pena saber ao ler um registro: cada registro de hora nele está atrás do evento físico pelo atraso da cadeia do barômetro, uniformemente, então intervalos e taxas estão corretos mesmo que os instantes absolutos sejam atrasados.
Fig. 4De onde vem o atraso do barômetro. O filtro IIR interno do sensor é dominante: com um coeficiente de 7, contribui sozinho com 87,5 ms em um BMP581 funcionando a 80 Hz e 140 ms em um BMP390 a 50 Hz. Diminuir a configuração de IIR encurta o atraso e aumenta o ruído, que é a troca para a qual a configuração existe.
Calibração de escala
Um acelerômetro em repouso mede exatamente uma gravidade. Sua magnitude reportada em repouso é, portanto, uma medição direta de seu próprio erro de escala, e TrueFuse usa isso em vez de assumir que a escala nominal está correta.
No pad, qualquer amostra com uma magnitude de repouso plausível e um barômetro silencioso semeia uma estimativa em execução. Amostras posteriores juntam-se à estimativa se ficarem dentro de 6 por cento dela, ou 60 mG, o que for maior. O fator de calibração é então a razão da verdadeira gravidade para a magnitude medida em repouso.
A alternativa, uma banda de aceitação fixa ao redor de 1000 mG, falha silenciosamente em uma unidade cuja escala está desligada: ela não admite nenhuma amostra, o fator fica em um, e o filtro integra um acelerômetro que está reportando o número errado. Um voo no conjunto de referência repousou em 2050 mG exatamente por essa razão, e sua altitude foi fabricada, não medida, até que a calibração fosse feita uma medição.
Vertical do mundo
Um acelerômetro mede força ao longo de seus próprios eixos, que são fixados à fuselagem. Para contribuir para uma altitude, essa força tem que ser projetada na direção que é realmente para cima, e a fuselagem gira durante o voo.
TrueFuse estabelece a vertical da gravidade enquanto o veículo está em repouso, então gira esse vetor com o giroscópio para o resto do voo. O empuxo é projetado na vertical rastreada, então um foguete voando em um ângulo contribui apenas seu componente vertical, que é o comportamento fisicamente correto.
Fig. 5A vertical rastreada segue a fuselagem. Se passar 100 graus da vertical do pad antes do burnout, o veículo se virou sob empuxo, o que nenhum foguete ascendente faz, e o filtro é desativado para o voo inteiro. Uma vertical que morre após o burnout é tumbling de recuperação comum e é tratada como guarda, não um veredicto.
Guardas
Quatro condições podem impedir que TrueFuse confie no acelerômetro. Cada uma se resolve no barômetro, é por isso que nenhuma delas pode produzir uma altitude inflacionada.
| Guarda | Teste | Ação |
|---|---|---|
| Virar | vertical rastreada passado 100 deg antes do burnout | Recusar para o voo inteiro |
| Tumbling | rotação sustentada sobre um eixo perpendicular | Recusar desse ponto em diante |
| Saturação | qualquer eixo em escala completa, 5 amostras em execução | Suspender o transporte inercial |
| Timeout de janela | barômetro não confiável novamente no tempo | Retornar ao barômetro |
Saturação, e por que algumas amostras são toleradas
Um acelerômetro cortado relata seu trilho, não a força real, então a leitura é um piso. Usar um piso brevemente subestima a aceleração e puxa a altitude fundida em direção ao barômetro, que é a direção inofensiva. Motores duros tocam escala completa por alguns milissegundos na ignição, e tratar isso como uma falha suspenderia o transporte exatamente quando é mais necessário. TrueFuse portanto ignora saturação mais curta do que cinco amostras consecutivas e trata qualquer coisa mais longa como uma verdadeira queima fora do intervalo, onde a integração seria desonesta.
O limiar de clipe é derivado do intervalo de medição configurado em vez de presumido, porque o intervalo é uma configuração.
Canais em tempo real e de arquivo
TrueFuse produz duas séries de altitude da mesma gramática.
O canal em tempo real é o que o computador de voo pode saber em voo. É estritamente causal: em cada amostra, ele usa apenas o que já tinha sido medido. Este é o canal que importa para qualquer coisa que o altímetro tenha que agir, e a única base honesta para decisões em voo.
O canal de arquivo executa uma vez ao salvar, sobre a mesma estrutura de janela registrada, com um pedaço extra de informação que o canal em tempo real não pode ter: onde o barômetro terminou após cada janela fechar. Saber o outro lado de uma janela permite que o deslocamento através dela seja ancorado em ambas as extremidades em vez de uma, o que remove o pequeno deslocamento residual que um transporte de um lado deixa. A velocidade no canal de arquivo é recomputa com um estêncil simétrico, é por isso que o traço de velocidade