Neigungsmessung in einem Flugzeug

[Stefan Easycopter]

Hi,

ich möchte die neigung (roll und pitch) in einem Flieger Messen. Dazu wird üblicherweise irgendein ADXL20X usw. (z.B. ADXL202JE ) empfohlen.

ABER: diese Sensoren messen doch die BEschleunigung, oder? Also irgendwie die anliegende Beschleunigungs- Komponente (vertikal) gegenüber einer Referenz (normal 1 g).

meine Frage:
- ist das so? Oder wie arbeiten die Dinger genau?
- kann ich die dann in einem nicht inertialen System überhaupt
verwenden? jede Beschleunigung meines Flieger würde dann doch
das Ergebnis verfälschen, oder?
- Wenn dem so ist: gibt es eine möglichkeit in beschleunigten Systemen
die Neigung gegenüber dem Boden sicher bestimmen (ohne nun den Drehwinkel zu messen und darüber zu integrieren)?


HELP ... ich bin voll verwirrt!

Stefan

[Gottfreak]

diese Sensoren messen doch die BEschleunigung, oder?

Für einen bewegten Beobachter sind Beschleunigung und Gravitation nicht voneinander zu unterscheiden. Folglich messen die Sensoren beides.

jede Beschleunigung meines Flieger würde dann doch
das Ergebnis verfälschen, oder?

Ja. Deswegen brauchst du weitere Sensorik um das(soweit, bis bei den unvermeidbaren Beschleunigungen der Fehler hinnehmbar wird) 'rausrechnen zu können.

- Wenn dem so ist: gibt es eine möglichkeit in beschleunigten Systemen
die Neigung gegenüber dem Boden sicher bestimmen (ohne nun den Drehwinkel zu messen und darüber zu integrieren)?

Erstmal wird die Integration über die Winkelgeschwindigkeit(meintest du sicher mit Drehwinkel) im Laufe der Zeit zu immer größeren Fehlern führen(du kannst weder mit unendlicher Frequenz noch mit unendlicher Genauigkeit messen und wenn doch, könntest du die unendlichen Datenmengen nicht verarbeiten.), ist also nicht wirklich sicher(das hattest du bestimmt im Hinterkopf, als du nach was anderem gefragt hast.).

Das Gravitationsfeld ist an sich schon was Schönes, weil es(in rel. kleinen Bereichen) ziemlich konstant in Richtung des Erdmittelpunkts zeigt. Bloß bleibt da das Problem mit den Beschleunigungen, die man leider auf anderem Wege schwer messen und daher schwer 'rausrechen kann.

Das Erdmagnetfeld lässt sich auch messen(3D-Kompass) und wird nicht sonderlich durch die Eigenbewegung verändert. Leider ist es meines Wissens nicht annähernd so homogen wie das Gravatationsfeld.

Was für Manöver soll das Flugzeug denn so ausführen?
Die Messung der Winkelgeschwindigkeit und die Integration darüber(mit den oben beschriebenen Schwierigkeiten) ist eine Möglichkeit, wenn es regelmäßig Phasen mit nur sehr geringer Beschleunigung gibt, in denen man den "Nullpunkt" mit Hilfe des ADXL einstellen kann.
Diese Phasen könntest du z.B. mit Winkelgeschwindigkeitsmessern (Gyrokreisel) zu erkennen versuchen. Als weitere Größen zur Korrektur ließen sich Windgeschwindigkeit und Erdmagnetfeld noch relativ einfach messen. Auch die Position(GPS) und damit die Absolutgeschwindigkeit(neben der zum Wind) könnte man messen. Wenn dein Flugzeug und dein Budget groß genug sind, findet sich darin vielleicht auch noch Platz für einen Laser-Entfernungsmesser, der nach unten(natürlich vom Flugzeug aus) gerichtet ist und die Entfernung der Bodens in dieser Richtung messen kann.
Auch die Lage des Horizonts kann man(je nach Tageszeit und Witterung, aber Uhrzeit und Wetterdatan kann man per Funk empfangen) aufgrund der Helligkeitsverteilung in etwa bestimmen(Prinzip "optischer Autopilot").
Der Luftdruck ist ein Indiz für die Höhe(und mit der Entfernung des Bodens nach unten auch für den Winkel zur Ebenen, wenn auch nicht für die Richtung der Neigung). Wenn man schon Daten über die Großwetterlage(weis jemand, wo die maschinenlesbar gesendet werden?) hat, ist die Höhenbestimmung auf dem Weg bestimmt auch halbwegs genau(immer vorrausgesetzt, die Sensoren sind gut genug und geeignet angebracht(ist wieder ein Kapitel für sich).).
Die Schwierigkeit liegt, wenn erstmal so viele Messdaten vorliegen, in der Gewichtung der einzelnen Faktoren.

PS: Ich arbeite auch an so einem Projekt und wäre für Anregungen dankbar.

[PicNick]

Ich glaube, für schnelle Bewegungen bist du mit Kreisel noch am besten dran. Auch mit einem Variometer liegst du nicht verkehrt, schließlich fliegen Legionen von (modell) Segelfliegern mit sowas.
Aber ein echt autonomer Hubschrauber is natürlich was anderes.
Ich möcht echt einmal dazukommen, mein Projekt "Evaluieren der Trägheitsnavigation für Robbys und anderes Getier" ernsthaft in Angriff zu nehmen. Man hört immer nur von Schätzungen und Annahmen, was nun geht oder nicht. Auch die sinnvolle Kombination der div. Sensoren muß ich mal recherchieren, ist ja lästig, wenn man nur red' und nix weiß´
mfg robert
PS Oder die, die's wissen, erzählen nix

[Gottfreak]

Aber ein echt autonomer Hubschrauber is natürlich was anderes.

@Stefan Easycopter: Was für eine Art Flugzeug meinst du? Ein klassisches mit Tragflächen(darauf bezogen sich meine Ausführungen eben insbesondere) oder einen Heli?

Auch mit einem Variometer liegst du nicht verkehrt, schließlich fliegen Legionen von (modell) Segelfliegern mit sowas.

Ein Variometer liefert die(i.d.R. über den Luftdruck bestimmte) Änderung der Höhe, ist also für Menschen mehr geeignet als für einen Conroller, den man lieber direkt mit dem Luftdruck füttert(das liefert ihm das Gleich und noch mehr.).

Ich möcht echt einmal dazukommen, mein Projekt "Evaluieren der Trägheitsnavigation für Robbys und anderes Getier" ernsthaft in Angriff zu nehmen.

Du beschäftigst dich mit Trägheitsgestützter Navigation für Bodenfahrzeuge? Hast du ein Beispiel, wo sowas eingesetzt wird(cool wäre eine Seite, wo so ein Projekt beschrieben ist.)?

PS Oder die, die's wissen, erzählen nix

Ich vermute auch mal, dass in dem Bereich viel an nichtöffentlicher Forschung stattfindet.

[PicNick]

Trägheitsnavigation is vornehmlich in U-Booten anzutreffen, aber da es vor GPS auch ein Leben gegeben hat, gab's das auch in Flugzeugen.
Vielleicht kennst du "Where am I ?" (Uni Michigan)
das beschäftigt sich sehr intensiv und erschöpfend mit allen Positionsbestimmungsvarianten von autonomen Fahrzeugen
Ich hab's im Internet gefunden, als PDF runtergeladen, jetzt weiß ich aber den Link nicht mehr. Jetzt weiß ich nicht, ob ich das da so uploaden kann, ohne sofort in den Gemeindekotter zu kommen, aber wenn du es nicht eh selbst (durch den Titel) findest, irgendwie kann ich dir's sicher schicken.
Bist Du mit der Materie befaßt ? mfg robert

PS: Weil er easyCOPTER heißt, hab ich halt angenommen, er meint einen Hubschrauber

[voidpointer]

@Stefan,
bist Du der Stefan, der mich neulich schon mal angemailt hat? Wenn nein, dann hast Du noch einen Namensvetter, der gerade etwas ähnliches versucht

Was verstehst Du unter einem "nicht inertialen System"? Ein gleichförmig geradlinig bewegtes System schein ein Modellflugezug in der Tat nicht zu sein. Geringe Kräfte wirken m.E. immer auf das Fluggerät.

@Gottfreak,
habe schon des öfteren Deine Beiträge gelesen. Bist Du schon voran gekommen, d.h., hast Du schon Testflüge oder ähnliches durchführen können? Vielleicht sollten wir mal eine Art Webring oder private Mailgruppe bilden, um uns auszutauschen.

Ich wiederhole mich dabei bestimmt, aber meiner Meinung nach kann man das Problem der Fluglagekorrektur auf eindeutige Weise nur mit einer sog. IMU realisieren. Billigere Möglichkeit ist der Paparazzi-Ansatz: der Einsatz eines optischen Autopiloten (http://www.nongnu.org/paparazzi/).

Ich vermute auch mal, dass in dem Bereich viel an nichtöffentlicher Forschung stattfindet.

Die Forschung auf diesem Gebiet ist weitestgehend schon gelaufen. Autopiloten gibt es schliesslich schon so lange, wie es die Raumfahrt gibt. Jetzt versucht man nur noch, die Dinger kleiner, leichter und billiger zu machen. Und es gibt auch Veröffentlichungen. Hier mal zwei Links:
http://epubl.luth.se/1402-1617/2000/...X-00081-SE.pdf
http://www.ee.byu.edu/grad1/users/be...tonBeard04.pdf

Achim.

[Suggarman]

@Stefan,
bist Du der Stefan, der mich neulich schon mal angemailt hat? Wenn nein, dann hast Du noch einen Namensvetter, der gerade etwas ähnliches versucht

Nein, der bin nämlich ich

Ich habe neulich noch einen Testaufbau gemacht und bin der Meinung, daß der ADXL202 die Lage um 2 Achsen auch einwandfrei mist, wenn sich
a. die Lage um die andere Achse ändert
b. sich der gesamte Sensor in der Höhe verändert

Mit ruckhaften Bewegungen des Sensors konnte ich keine Signaländerung auf einer der beiden Achsen erkennen. Der Sensor ist flach liegend montiert.
Inwieweit eventuell Motorschwingungen störend wirken, weiß ich noch nicht. Ich hoffe, daß das bei einem Elektroflieger im Rahmen bleibt.

mfg

Stefan

Im Monent erstelle ich gerade Layouts für den Controller (C-Control 1 Unit 2.0) mit Spannngsregler, ein Modul mit ADXL und I2C Speicher, ein GPS-Board(Fastrax UPatch100) und ein Fernsteuermodul(Empfänger und Relaisumschaltung für 4 Kanäle).

[Stefan Easycopter]

Hallo,

erstmal herzlichen Dank für die aktive Beteiligung!!!!

Ich möchte konkret ein manntrages "Luftfahrzeug" (ähnlich einem Helikopter aber mit anderer, rein aerodynamische Steuerung) bauen. Bitte nicht lachen ... irgendwann wird das was ... ich bverrate natürlich nciht wann

Mein Problem ist die Längsachse (roll), die kann der Pilot nämlich nicht steuern (warum das so ist, kann ich so kurz nicht erklären, sobald ich erste Skizzen fertig habe, gibt's eine Web - Seite, die mehr Infos liefert), die muss ich also automatisch kontrollieren. Dazu wäre es ideal, die aktuelle Neigung um "roll" mit einem Sensor zu messen, um durch einen Computer gegensteurn zu können.

Aber wie messen??? Das ist eben die Frage... nachdem ich ja keine Kunstflugmschine bauen möchte, wird der Normalflugzustand "nahe 1 g vertikal" sein, vielleicht tut's also ein "einfacher" Beschleunigungsmesser. Ich möchte ja keine INS (Inertial navigation platform" bauen, bei der ich die echte Orientierung wissen muss, aber die aktuelle Neigung um die Rollachse zu wissen, wär in dem Fall in der Tat lebenswichtig ...

Nachdem ich damit keinerlei Erfahrung habe, wär ich eben an der Meinung von leuten sehr interessiert, die sich damit besser auskennen. Da ich kein Elektroniker bin, bräuchte ich auch noch Infos, wie ich die Daten in den PC bekomme.

Danke

Stefan

[Stefan Easycopter]

Noch was für PicNick,

ein interessantes Projekt für dich könnte eine Stundentenarbeit der ETH Zürich sein, die haben sich an einem einfachen INS (also echter Trägheitsnavigation) versucht. Beschreiben auch ihren Aufbau recht genau, das Ergebnis ist allerdings (wenn ich mich recht erinnere), dass es

a) prinzipiell geht
b) die Probleme bei der Calibrierung und die Ungenauigkeit
der Sensoren eine echte Verwendung wohl eher
problematisch machen...

Kanst mal reinschauen ...

http://www.electronic-engineering.ch/study/ins/ins.html


Kommenrzielle INS Systeme kosten wohl nicht ohne Grund richtig Kohle, das bisher billigste hab ich auf einer engl. Web - Site für € 12000 gefunden, ich dachte aber eher an € 500

Stefan

[PicNick]

Also gut, ich glaub', ich werd's wohl nicht kaufen. Aber danke mal für den Link, ernsthafte Begründungen, warum etwas NICHT geht, sind midestens genauso wertvoll wie umgekehrt.
? Flächenlose Flugkörper ? die kämpfen mit dem rollen.
Wie gesagt, das Errechnen der effektive Lage durch Kumulieren der Beschleunigungen ist natürlich streng.
Aber DASS das Werkel zu rollen beginnt, zeigt dir die Präzessionsbew. eines Kreisels sehr genau und sehr empfindlich.
Also sowas wie ein "Pinsel" (kennst du?) um 90 Grad gedreht.
Vielleicht fällt mir ja nochwas ein. mfg robert