小型慣性センサーを用いたUAVの飛行解析

多目的空中センサー搭載型無人航空機（UAV）

MASCは、大気境界層の研究のために開発された小型UAVです。また、ドイツのテュービンゲン大学（Eberhard Karls Universität Tübingen）の環境物理学グループが、その設計と運用を行っています。同チームは、UAVの位置、対地速度、姿勢角を記録するために、Ellipse-Nを採用しました。さらに、気流を考慮することで、風速と風向を正確に算出することができます。

しかし、気流プローブではUAVの挙動による補正が必要となるため、飛行中の風速計算は困難を伴う。
したがって、正確な飛行解析には、高精度な慣性計測が不可欠となる。
このUAVの代表的な搭載機器は、乱流フラックスを算出するために設計された気象測定システム（MASC）である。

地上システムや航空機と比較して、MASC UAVは、複雑な地形における風力発電所の立地評価などの研究において、費用対効果に優れ、貴重なツールとなっている。

「飛行中」の風速計算

飛行中の風速の算出には課題があります。これは、搭載された気流プローブが、UAVの挙動による影響を補正する必要があるためです。さらに、気流ベクトルからUAVの対地速度と姿勢を差し引くことで、風速と風向が算出されます。したがって、UAVの飛行を正確に分析するためには、高精度な慣性計測装置が不可欠となります。

当社の「Ellipse-N」：GPS対応の小型モデルINS

Turbulence plays an important role in the transport and exchange of energy in the lower atmosphere.

A high data rate is required to record these very fast fluctuations in the wind speed. “We were looking for a precise inertial measurement unit. Required specifications were an accuracy in attitude angles of <1°, and a high data output rate” declares Uwe Putze, Dr.-Ing. at the Eberhard Karls Universität Tübingen.

As the unit had to be mounted in a small unmanned aerial vehicle, small size and low weight were also important for the project. “The Ellipse-N was selected because it fulfills all the requirements and provides a unique balance of accuracy, size and weight”, adds the Project Engineer.

小型・軽量な「Ellipse-N」は、姿勢や進行方向の測定機能にとどまりません。慣性データとGPS、気圧センサーの情報を融合させることで、信頼性の高い位置情報と、より高精度な高度情報を提供します。

全温度範囲にわたるセンサーの動的校正結果を示すレポートにより、チームは本システムが公表された仕様を満たすという確信をさらに強めました。

Ellipse-N件の高品質データ

Ellipse-Nは、シリアルインターフェースを介して機載計測コンピュータにスムーズに統合されました。さらに、このシームレスな接続により、効率的なデータ伝送が可能となりました。

気流プローブが対気速度と迎角を測定する一方で、Ellipse-NはUAVの位置、対地速度、および姿勢角を記録しました。さらに、コンピュータは後での利用のために生データを保存しました。 さらに、テレメトリリンクにより、地上局でのリアルタイム表示が可能となった。

このセンサーを使用することで、システムは3軸すべてにおいて±0.5 m/sの精度で風速を測定した。さらに、最大20Hzで速度の変化を記録し、200Hzの出力レートにより補間の必要がなくなった。