4. ünite / 10

Uçuş kontrolcüsü, sensörler ve sensör füzyonu

ParçaSimülasyonYazılım

Bu ünitenin sonunda

F4, F7 ve H7 uçuş kontrolcülerini görev ihtiyacına göre seçmek
Jiroskop sapmasının ve ivmeölçer gürültüsünün açı kestirimini nasıl bozduğunu göstermek
Tamamlayıcı süzgeci yazmak ve τ'yu seçmek
EKF'nin hangi sensörleri neden birleştirdiğini açıklamak

Ders notları

Uçuş kontrolcüsü bir STM32 mikrodenetleyici, bir IMU, bir barometre ve çoğu zaman SD kart taşır. Betaflight F4'te rahat çalışır; PX4 ve ArduPilot'un EKF'si ve çok sensörlü sistemler için H7 (480 MHz, çift duyarlıklı FPU) önerilir.

Hiçbir sensör tek başına yetmez

Jiroskop: açısal hız, kısa vadede temiz. Ama küçük bir sapma (bias) entegre edilince büyür: 2 °/s sapma 20 saniyede 40° hata.
İvmeölçer: yerçekimi yönünden eğim verir, uzun vadede doğru. Ama motor titreşimi ve manevra ivmesi onu bozar.
Barometre: bağıl irtifa, pervane rüzgârına duyarlı. Pusula: mutlak yön, güç kablolarına duyarlı.

Tamamlayıcı süzgeç

θ ← α (θ + ω dt) + (1 − α) θ_ivme, α = τ / (τ + dt)

Jiroskop yüksek, ivmeölçer alçak frekansta kullanılır; τ ikisinin el değiştirdiği zaman ölçeğidir. Sabit bir jiroskop sapması b kalıcı hata olarak b · τ bırakır: τ küçülürse sapma hatası azalır ama ivmeölçer gürültüsü içeri sızar. PX4 bunun yerine durumu (yönelim, hız, konum, sensör sapmaları) birlikte kestiren bir genişletilmiş Kalman süzgeci (EKF2) kullanır; mantık aynıdır: her sensöre gürültüsü oranında güven.

Not: askıdaki bir multirotorda ivmeölçer büyük ölçüde itki yönünü ölçer; bu yüzden gerçek kestiriciler ivme büyüklüğü 1 g'den saptığında ivmeölçere güveni azaltır.

Simülasyon

Tamamlayıcı süzgeç: jiroskop + ivmeölçer

Jiroskop kısa vadede temizdir ama sapması (bias) birikir; ivmeölçer uzun vadede doğrudur ama gürültülüdür. Tamamlayıcı süzgeç jiroskobu yüksek, ivmeölçeri alçak frekansta kullanır. τ'yu değiştir ve kalıcı hatanın sapma × τ olduğunu gör.

3B sahne yükleniyor…

Simülasyon görevi

Füzyon simülasyonunda "Yerde sabit" hareketini seç, gürültüleri 0 yap: jiroskop çizgisi 20 s'de kaç dereceye kaydı? Tamamlayıcı süzgecin kalıcı hatası sapma × τ'ya eşit mi? Sonra yatış manevralarına dön ve RMSE'yi en aza indiren τ'yu bul. İvmeölçer gürültüsünü 12°'ye çıkarınca en iyi τ nasıl değişti?

Kod

C++: tamamlayıcı süzgeç (yuvarlanma ve yunuslama)

#include <cmath>

struct Attitude { float roll = 0, pitch = 0; };   // radyan

// gx, gy: jiroskop rad/s; ax, ay, az: ivmeölçer m/s²; dt: s; tau: süzgeç zaman sabiti, s
void complementary(Attitude& a, float gx, float gy, float ax, float ay, float az, float dt, float tau = 0.5f) {
  const float alpha = tau / (tau + dt);              // 250 Hz, τ = 0,5 s → α ≈ 0,992
  const float accRoll = std::atan2(ay, az);
  const float accPitch = std::atan2(-ax, std::sqrt(ay * ay + az * az));
  // ivme büyüklüğü 1 g'den çok farklıysa ivmeölçere güvenme (manevra ya da titreşim)
  const float g = std::sqrt(ax * ax + ay * ay + az * az);
  const float k = std::fabs(g - 9.81f) < 1.5f ? 1.f - alpha : 0.f;
  a.roll  = (1.f - k) * (a.roll + gx * dt) + k * accRoll;
  a.pitch = (1.f - k) * (a.pitch + gy * dt) + k * accPitch;
}
// Not: büyük açılarda ve sapma (yaw) için kuaterniyonlu Mahony/Madgwick ya da EKF kullanılır.

Sık yapılan hatalar

IMU'yu I²C ile bağlayıp 1 kHz hız döngüsü beklemek.
Uçuş kontrolcüsünü titreşim sönümleyicisiz sabitlemek: ivmeölçer kırpılır (clipping), kestirim bozulur.
Pusulayı güç kablolarının yanına koymak ve kalibrasyonu atlamak: drone daire çizerek uçar (toilet bowl).
Barometreyi süngerle örtmemek: pervane rüzgârı irtifayı zıplatır.

Yazılım mühendisliği bağlantısı

Sensör füzyonu, kayıt ve yeniden oynatma ile test edilir: aynı kayıt, aynı kestirim.

SITL'de ya da uçuşta sensör verisini kaydet (PX4 ULog), süzgeci çevrimdışı yeniden çalıştırıp çıktısını karşılaştır.
Rastgele gürültüyü tohumla: bu dersin simülasyonları gibi testler deterministik olmalı, yoksa kırılgan (flaky) olur.

Kendini sına

Tamamlayıcı süzgeçte τ = 0,5 s ve jiroskop sapması 2 °/s ise kalıcı açı hatası yaklaşık nedir?
250 Hz'de (dt = 4 ms) τ = 0,5 s için α yaklaşık kaçtır?
IMU uçuş kartlarında neden SPI ile bağlanır?
Askıdaki bir quadrotorda ivmeölçer neden tek başına güvenilir eğim vermez?

Bu ünitenin parçaları

3B modelli gerçek Hyvex parçaları: