ミニチュア慣性センサーによるUAV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。ドイツのエーバーハルト・カール大学テュービンゲン校の環境物理学グループによって設計、運用されています。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、風速と風向を高精度に算出することができます。

しかしながら、気流プローブにはUAVの挙動に対する補正が必要となるため、飛行中の風の計算は容易ではありません。
したがって、正確なフライト解析には高精度な慣性計測が不可欠となります。
このUAVの一般的なペイロードは、乱流フラックスを算出するために設計された気象計測システムです。

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サイト評価などの研究において、費用対効果が高く有用なツールです。

「飛行中」の風速計算

飛行中の風の計算には課題が伴います。それは、組み込まれた気流プローブがUAVの挙動に対する補正を必要とするためです。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の正確な飛行解析には、精密な慣性計測装置が不可欠となります。

GPS補助型ミニチュアINS「Ellipse-N」

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・軽量のEllipse-Nは、姿勢や方位の測定にとどまらない性能を発揮します。慣性データとGPSおよび圧力センサーの情報を融合させ、堅牢な位置情報と向上した高度精度を提供します。

全温度範囲にわたるセンサーの動的校正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確実に満たすというさらなる確信を得ました。

高品質データを誇るEllipse-N

Ellipse-Nはシリアルインターフェースを介して、車載計測用コンピューター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になりました。

風向風速プローブが対気速度と迎角を測定する一方、Ellipse-NはUAVの位置、対地速度、姿勢角を記録しました。また、コンピューターは後で使用するためにロー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になりました。

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ました。さらに、最大20Hzの速度変動を記録し、200Hzの出力レートにより補間の必要性をなくしました。