Höhe und Fusionsgenauigkeit

Der Nano basiert auf einem sehr hochwertigen Drucksensor und ab Rev4 auch auf einem Bewegungssensor. Diese Seite erklärt, woher die Werte kommen, wie genau sie sind, und welche wenigen Faktoren sie beeinflussen können, damit Sie wissen, was Sie von Ihren Daten erwarten können.

Die Höhenmessung auf dem Nano basiert auf der Messung des Luftdrucks mit dem Bosch BMP581, einem der genauesten verfügbaren barometrischen Sensoren. Es ist ein 24-Bit-Kapazitätssensor mit einer relativen Genauigkeit von etwa einem halben Meter und einem Rauschen, das niedrig genug ist, um Höhenänderungen von nur wenigen Zentimetern zu erkennen. Es ist einer der neueren kapazitiven Sensoren von Bosch, ein Fortschritt gegenüber der piezoelektrischen Technologie in früheren Designs, und dieser Wechsel sorgt für deutlich niedrigeres Rauschen, viel niedrigere Stromaufnahme und höhere Datenraten. Einfach gesagt: Der Sensor ist viel präziser, als die Atmosphäre, die er misst, vorhersehbar ist, daher ist er selten der limitierende Faktor für Ihre Ergebnisse. Er misst auch seine eigene Temperatur und kompensiert seine Druckmessungen direkt im Chip, etwas das viele einfachere Sensoren nicht tun, was den Rohdruck genau hält, während sich der Sensor erwärmt oder abkühlt.

Um die sauberste Messung zu erhalten, betreiben wir den BMP581 mit 80 Hz und 16-fachem Oversampling. Das bedeutet, dass der Sensor für jeden ausgegebenen Druckwert 16 interne Messungen durchführt und mittelt, sodass etwa 1.280 Druckmessungen pro Sekunde in die Daten einfließen. Oversampling auf diese Weise tauscht rohe Konversionsgeschwindigkeit gegen viel niedrigeres Rauschen ein, und bei 80 Hz gibt es immer noch reichlich Geschwindigkeit für einen schnellen Boost. Der BMP581 kann bis zu 32-faches Oversampling durchführen, aber 16 bietet das beste Gleichgewicht aus Rauschen und Rate für den Flug.

Rev3 und frühere Platinen verwenden stattdessen den älteren Bosch BMP390, einen piezoelektrischen Sensor, der mit 50 Hz und 8-fachem Oversampling betrieben wird, was das Maximum für diesen Sensor ist, für etwa 400 Messungen pro Sekunde. Es ist immer noch ein sehr leistungsstarker Sensor, und es wurden nur sehr wenige frühe Platinen hergestellt, bevor der Wechsel zum BMP581 erfolgte.

Der Nano wandelt den gemessenen Druck in eine Höhe unter Verwendung der internationalen Standardatmosphäre um, des gleichen Modells, das in der Luftfahrt und im Wettbewerbsflug verwendet wird. Es nimmt einen Meeresspiegel-Druck von 1013,25 hPa und eine Temperatur von 15 °C an. Die Verwendung eines festen Standards wie dieses ist absichtlich: Es bedeutet, dass jeder Flug und jeder Flieger auf genau der gleichen Grundlage gemessen werden, was Wettbewerbsrekorde benötigen.

Die genaue Umrechnung ist die Standard-Atmosphären-Formel:

Hier ist temperature die Temperatur, die in der Berechnung in °C verwendet wird, hpa_pressure ist die aktuelle Lesung des Sensors, und sea_level_pressure ist der Druck auf Meereshöhe. Auf dem Nano sind die Temperatur und der Meeresspiegel-Druck auf die oben genannten Standardwerte festgelegt, sodass jeder Flug auf genau der gleichen Grundlage berechnet wird. Es ist die gleiche etablierte Formel, die von Höhenmessern im Hobby verwendet wird.

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Höhe zu betrachten. Ihre Höhe über dem Grund, die Höhe über der Abschussrampe, ist das, was die meisten Menschen interessiert, und sie ist sehr zuverlässig, weil sich der Nano auf der Rampe selbst auf Null stellt und den Anstieg von dort aus misst. Ihre Höhe über dem Meeresspiegel hängt vom realen Luftdruck am Tag ab, den die Standardzahl von 1013,25 hPa selten genau erreicht.

Durchgehend wird der Rohdruck durch unser True Path Filtering bereinigt, das gelegentliche Spitzen entfernt und die Kurve glättet, ohne hinter der realen Bewegung hinterherzuhinken. Die vollständigen Details, wie True Path funktioniert und wie Geschwindigkeit und Apogäum aus den gereinigten Daten berechnet werden, finden Sie auf der Seite True Path und Apogäum.

Ihre Höhe wird immer relativ zum Grund gemessen, daher benötigt der Nano einen sehr stabilen Nullpunkt als Ausgangspunkt. Statt eine einzelne Lesung zu machen, behält er während er auf der Rampe wartet einen gleitenden Durchschnitt über nur etwas mehr als fünf Sekunden an Drucklesungen bei. Um Energie zu sparen, während er wartet, sammelt der Nano diese mit einer niedrigeren Leerlauf-Rate von etwa 50 Lesungen pro Sekunde (siehe die Energiemodi in den Einstellungen), sodass der Durchschnitt sich auf etwa 281 Lesungen herausstellt. Beachten Sie, dass dies die Rate ist, mit der Lesungen gespeichert werden, getrennt von den 80 Hz und 16-facher Überabtastung, die der Sensor selbst durchführt. Das Glätten über fünf Sekunden Daten entfernt das Rauschen und ergibt eine sehr stabile Bodenreferenz, und da es sich kontinuierlich aktualisiert, verfolgt es auch die langsame Drift des Luftdrucks, während sich das Wetter während eines langen Wartens auf der Rampe ändert.

Dieser gemittelte Referenzwert wird mit einer kurzen Verzögerung gehalten, damit der Start selbst die Referenz nicht nach oben zieht. In dem Moment, in dem ein Start erkannt wird, sperrt der Nano den stabilen Bodenumschlag als die Null für den ganzen Flug, und jede Höhe im Protokoll wird dann von ihm gemessen. In Kombination mit dem gleitenden Vor-Buffer, der die wenigen Sekunden vor dem Start speichert, wird sowohl der wahre Bodenpegel als auch der Moment des Abhebens sauber erfasst.

Der gleitende Durchschnitt durchfährt das Rauschen, um eine stabile Null zu ergeben, und wird beibehalten, sodass der Start selbst die Referenz nicht anhebt.

Weil der Sensor selbst so gut ist, sind die Dinge, die Ihre Werte tatsächlich verändern, hauptsächlich mit der Luft und der Installation verbunden:

• Temperatur. Die Höhenberechnung nimmt 15 °C an. An einem heißen oder kalten Tag ist die echte Luft dichter oder dünner als das, was leicht die Höhe skaliert. Es ist ein kleiner Effekt, und es ist eines der Dinge, die Sie nachher korrigieren können.
• Aufwärmung nach USB. Das Laden und Anschließen wärmen die Platine ein wenig auf. Wenn der Nano kürzlich mit USB verbunden war, lassen Sie ihn im Flugmodus bis zu sechs Minuten liegen, damit er sich wieder auf die Umgebungstemperatur abkühlt, bevor Sie starten. Dies lässt die Lesungen vollständig stabilisieren.
• Wetter und realer Druck. Der Standard-Meeresspiegel-Druck entspricht selten dem tatsächlichen Druck des Tages. Dies verschiebt hauptsächlich die Meeresspiegel-Zahl und nicht Ihre Höhe über dem Grund.
• Belüftung und Luftströmung. Der Sensor ist nur so gut wie die Luft, die er sehen kann, daher sind ordnungsgemäße Lüftungslöcher und eine saubere Installation wichtig. Auf der Installationsseite gibt es mehr dazu.
• Licht. Als offener Sensor kann er durch Licht gestört werden, daher hilft es, ihn im Schatten zu halten. Auch hier, siehe die Installationsseite.
• Sehr große Höhe. Der Drucksensor ist bis etwa 300 hPa ausgelegt, was auf der Standardatmosphäre etwa 9.000 Metern (nahe 30.000 Fuß) entspricht, daher ist das seine angegebene Obergrenze. Darüber hinaus liegt er außerhalb des Nennbereichs des Sensors. Es wird höchstwahrscheinlich weiterhin eine glaubwürdige Höhe aufzeichnen, aber die Genauigkeit über diesen Punkt hinaus ist nicht charakterisiert, daher können wir dafür nicht bürgen.

Für fast alle Flüge ist die Höhe über dem Grund die zu vertrauende Zahl, und sie ist ausgezeichnet.

Auf Rev4 und späteren Platinen trägt der Nano auch einen LSM6DSO32-Bewegungssensor mit sich, der einen Beschleunigungsmesser und ein Gyroskop kombiniert. Wir betreiben beide immer in ihren vollen Bereichen, ±32 G und ±2000 Grad pro Sekunde, daher gerät auch ein harter, schneller Boost nie außer Kontrolle. Dies ist, was Ihnen den Startwinkel, die Neigung während des Fluges und die Beschleunigungskurve gibt, und es wird auch verwendet, um einen echten Start zu bestätigen. Es ist eine separate Messung von der Höhe, die immer vom Drucksensor kommt.

Um die Rohmessungen des Beschleunigungsmessers und des Gyroskops in die Neigungen, Rollen und Neigungswinkel umzuwandeln, die Sie sehen, führt der Nano einen Madgwick-Sensorfusionsfilter durch, der in unseren eigenen Tests die Anforderungen des Fluges merklich besser handhabte als die Alternativen. Das Gyroskop ist hervorragend beim Verfolgen schneller Rotationen, aber von allein würden kleine Fehler langsam aufaddieren und der Winkel würde von der Wahrheit abweichen. Der Filter überprüft kontinuierlich das Gyroskop gegen die Sicht des Beschleunigungsmessers auf die Schwerkraft und korrigiert es sanft, was die Neigung stabil hält. Ohne ein Magnetometer gibt es keine absolute Kompassrichtung, daher kann die Richtung immer noch langsam über die Zeit wandern, aber über die kurze Spanne eines Raketenfluges bleibt die Drift klein. In der Praxis sind die Winkel überraschend genau und genuinely verwendbar, besonders nachdem die Sensoren kalibriert wurden, was die Vorspannung entfernt, die meistens die Drift verursacht.

Um das Beste daraus zu machen, montieren Sie den Nano fest, damit er nicht bewegt, stellen Sie die Orientierungseinstellung so ein, dass sie Ihrer Anordnung in der Rakete entspricht, und kalibrieren Sie ihn. Die Winkelzahlen sind nur so gut wie das Festhalten des Boards bei einer bekannten Orientierung, daher werden eine lockere Montage oder eine falsche Orientierungseinstellung sie werfen. Es gibt mehr auf den Kalibrierungs- und Einstellungsseiten.

Ihr Flugprotokoll ist eine CSV-Datei, und jede Spalte wird mit einer Präzision gespeichert, die dem entspricht, was sie misst, anstatt die Rohe Auflösung des Sensors zu verwenden. Das Schreiben jeder Lesung bis zu ihrer letzten Ziffer würde die Datei nur mit Zahlen auffüllen, die feiner sind als die Messung sinnvoll ist, daher rundet der Nano jede Spalte sinnvoll. Dies hält die Dateien in einer verwaltbaren Größe, während alle Details aufbewahrt werden, die Sie benötigen. Die genauen Spalten hängen vom Board ab, da Rev4 und später die Bewegungsdaten hinzufügen.

Das Protokoll wird also nicht mit der absoluten vollen Auflösung der Sensoren aufbewahrt, aber jede Spalte wird mit einer Präzision aufbewahrt, die mehr als ausreichend ist, um den Flug im Detail zu analysieren. Die Temperatur ändert sich langsam, daher wird sie etwa einmal pro Sekunde statt in jeder Zeile aufgezeichnet.

Weil die Höhe an Bord die Standardatmosphäre verwendet, lässt Sie Altimeter Cloud sie nach dem Flug mit den realen Bedingungen verfeinern. Auf dem Flugdiagramm können Sie den tatsächlichen Bodenluffdruck und die Umgebungstemperatur des Tages eingeben, und das Diagramm berechnet die Höhe neu, um sie anzupassen. Wenn Sie möchten, können Sie dann das angepasste Flugprotokoll mit den korrigierten Zahlen herunterladen.