Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Żyroskop modelarski z funkcją Head Lock

satanistik 03 Maj 2014 11:15 5523 0
  • Żyroskop modelarski z funkcją Head Lock

    Idea budowy żyroskopu modelarskiego z funkcją Head Lock zaprzątała głowę autorowi od dłuższego czasu. Wydawało się to interesującym wyzwaniem szczególnie że w sieci nie znalazł się żaden podobny projekt. Wiele osób z forów twierdziło nawet że nie jest możliwa budowa żyroskopu parametrami dorównującemu produktom takich firm jak Futaba czy CSM.
    Najważniejsze problemy do rozwiązania dla takiej konstrukcji to zdaniem autora wybór odpowiedniego czujnika, dobór algorytmu sterowania oraz bezpieczne przeprowadzenie prób i regulacji.

    Problem pierwszy - czujnik:
    Na pierwszy ogień poszedł czujnik Murata ENC-03J który to akurat był pod ręką. Po sprawdzeniu wpływu temperatury na sygnał wyjściowy, oraz liniowej aproksymacji uzyskanych próbek powstał następujący wykres.

    Żyroskop modelarski z funkcją Head Lock

    Okazało się że dryf termiczny jest na poziomie 3,4mV na stopień. Biorąc pod uwagę że czułość żyroskopu to zaledwie 0,7mV na 1deg/s prędkości kątowej. Wynika z tego że zmiana temperatury o 1deg odpowiada zmianie prędkości kątowej o 5deg/s. Ze względu na to że funkcja Head Lock wymaga całkowania prędkości kątowej w celu wyznaczenia błędu kąta – przekłamanie osiągnęło by wartość 300 deg po minucie. Jest to zdecydowanie powyżej akceptowalnej granicy 5 - 10 deg/min. Wynika stąd że czujnik ENC-03J nie nadaje się do tego zastosowania nawet gdyby pokusić się o jakąś formę stabilizacji termicznej i kompensacji temperatury. Idea aby zbudować żyroskop dziesięć razy taniej i dziesięć razy lepiej od Futaby zaczęła się oddalać. Ostatecznie wybór padł na zdecydowanie droższy czujnik Analog Devices ADIS16100 sensor. Szczegółowy opis jego budowy i zasady działania znajdziemy na stronie: htp://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/37-03/gyro.html .
    Czujnik ADIS16100 posiada wbudowany przetwornik ADC, pozwoliło to dodatkowo uprościć schemat o obwody analogowe. Na płytce poza standardowymi elementami znalazła się jeszcze pamięć 4MBit, zastosowana w celu uproszczenia dalszych prac. Ostatecznie wszystko zmieściło się na płytce o wymiarach 38x27x10mm i wadze 6 gram.

    Żyroskop modelarski z funkcją Head Lock





    Problem drugi - algorytm sterowania:

    Jest oczywistym ze układ powinien całkować prędkość kątową w celu wyznaczenia błędu kąta, i tak uzyskany sygnał przy użyciu jakiegoś algorytmu PID powinien dawać właściwy sygnał do sterowania serwem ogonowym. Pozostaje jedynie wybór algorytmu regulacji, jego nastaw oraz dodatkowe reguły np. na wypadek obrotu modelu o kilaka set lub tysięcy stopnie jeszcze na ziemi. Aby trochę rozjaśnić sytuację autor zaczął od przestudiowania instrukcji żyroskopów Futaby i CSM. Na podstawie analizy ustawień można wywnioskować że urządzenie posiada system proborcjonalno - całkujący, oraz jakiś algorytm tłumienia oscylacji ogona po szybkim obrocie.
    Kolejnym etapem prac był montaż urządzenia na modelu helikoptera Raprto-30 razem z fabrycznym żyroskopem Futaby GY401. Fabryczny kontroler odpowiada za sterowanie modelem a układ autora pełnił funkcję pokładowego rejestratora danych, zapisując prędkość kątową, wartości zadane z odbiornika i odpowiedź fabrycznego żyroskopu. Po kilku próbnych lotach i przesłaniu zapisanych wartości do komputera można było przystąpić do ich analizy. Na pierwszy rzut oka można ocenić algorytm jako PD dla kąta obrotu (równoznaczne z regulatorem PI dla prędkości kątowej). Trzeba pamiętać o ograniczeniu dla całkowania aby wartość błędu nie wzrosła za bardzo np. w przypadku pracy z otwartą pętlą. Na koniec zostało dobrać nastawy regulatora PID na bazie danych zebranych z pomiarów. Na wykresie pokazano odpowiedź algorytmu w porównaniu do oryginału.

    Żyroskop modelarski z funkcją Head Lock

    To porównanie pokazuje że autor zmierza w dobrą stronę. Kolejnym zadaniem było zaimplementowanie algorytmu na mikro kontroler atmega88 oraz dodanie takich funkcji jak:
    praca normalna lub Head hold,
    zdalna kontrola czułości z dodatkowego kanału odbiornika,
    obsługa serw cyfrowych,
    możliwość korygowania ustawień z odbiornika lub RS232,
    Problem trzecie - testy i poprawki:

    Na pierwszy ogień wytypowany został model Trex-450A, bezpieczniejszy i tańszy od spalinowego.

    Żyroskop modelarski z funkcją Head Lock

    Okazało się jednak że nie było się czego obawiać. Pierwszy lot wypadł pomyślnie. Konieczna była jedynie drobna redukcja wzmocnienia aby ograniczyć szarpanie ogonem. Porównanie właściwości w locie i zapisanych logów, pokazało że oba urządzenia pracują podobnie.
    Porównanie dryfu kąta wypadło nawet lepiej dla konstrukcji autora (1-2deg/nin) niż GY401 (10-15deg/min). Dodatkowo system rejestracji parametrów lotu pozwala na późniejsze modyfikacje i poprawki.

    Na koniec autor podsumowuje że możliwe jest zbudowanie takiego żyroskopu modelarskiego w domowych warunkach i życzy nam powodzenia. Nie udostępnił on ani algorytmu (nastaw) ani wsadu procesora. Za pewne aby nie blokować nam możliwości zrobienia tego na własną rękę ;-).

    Źródło

    Przypis tłumacza:
    Dla nie modelarzy - w modelu helikoptera siła bezwładności wirnika głównego kompensowana jest siłą ciągu wirnika ogonowego. Regulacja tej siły może odbywać się zmianą skoku łopatek lub prędkości obrotowej. Żyroskop klasyczny bez funkcji Head Lock wykrywa i kompensuje skoki prędkości kątowej obrotu. Dodatkowo przy takim układzie konieczny jest mikser w odbiorniku lub nadajniku który kompensuje zmiany prędkości wirnika głównego. Żyroskop z funkcją Head Lock całkuje prędkość kątową i stara się utrzymać stałą pozycję modelu. Działa więc jak konwencjonalny żyroskop który utrzymuje stałą pozycję niezależnie od położenia np. samolotu.


    Fajne! Ranking DIY