Altitude et précision de fusion

Le Nano est construit autour d'un capteur de pression de très haute qualité, et à partir de la Rev4 également d'un capteur de mouvement. Cette page explique d'où proviennent ses chiffres, leur précision, et les quelques éléments qui peuvent les affecter, pour que vous sachiez à quoi vous attendre de vos données.

L'altitude sur le Nano provient de la mesure de la pression atmosphérique, et pour cela il utilise le Bosch BMP581, l'un des capteurs barométriques les plus précis disponibles. Il s'agit d'un capteur capacitif 24 bits avec une précision relative d'environ un demi-mètre et un bruit suffisamment faible pour détecter des changements d'altitude de quelques centimètres seulement. C'est l'un des capteurs capacitifs plus récents de Bosch, une avancée par rapport à la technologie piézorésistive utilisée dans les conceptions antérieures, et c'est ce changement qui lui confère un bruit considérablement plus faible, une consommation d'énergie beaucoup plus basse et des débits de données plus élevés. En résumé, le capteur est beaucoup plus précis que l'atmosphère qu'il mesure n'est prévisible, il est donc rarement le facteur limitant de vos résultats. Il mesure également sa propre température et compense ses lectures de pression en fonction de celle-ci directement sur la puce, ce que de nombreux capteurs plus simples ne font pas, ce qui maintient la pression brute précise à mesure que le capteur se réchauffe ou refroidit.

Pour obtenir la lecture la plus propre possible, nous exécutons le BMP581 à 80 Hz avec un suréchantiellonnage 16 fois. Cela signifie que pour chaque valeur de pression qu'il génère, le capteur effectue 16 mesures internes et les fait la moyenne, ce qui représente environ 1 280 mesures de pression chaque seconde. Le suréchantiellonnage de cette manière échange la vitesse de conversion brute contre un bruit beaucoup plus faible, et à 80 Hz il y a encore beaucoup de vitesse disponible même pour un boost rapide. Le BMP581 peut suréchantiellonner jusqu'à 32 fois, mais 16 offre le meilleur équilibre entre le bruit et la cadence pour le vol.

Les cartes Rev3 et antérieures utilisent à la place l'ancien Bosch BMP390, un capteur piézorésistif, exécuté à 50 Hz avec un suréchantiellonnage 8 fois, ce qui est le maximum pour ce capteur, pour environ 400 mesures par seconde. C'est toujours un capteur très capable, et seul un petit nombre de cartes précoces ont été fabriquées avant le passage au BMP581.

Le Nano convertit la pression mesurée en une hauteur en utilisant l'atmosphère standard internationale, le même modèle utilisé dans l'aviation et les compétitions de vol. Il suppose une pression au niveau de la mer de 1013,25 hPa et une température de 15°C. L'utilisation d'une norme fixe comme celle-ci est délibérée : cela signifie que chaque vol, et chaque pilote, est mesuré exactement sur la même base, ce que les records de compétition exigent.

La conversion exacte est la formule atmosphérique standard :

Ici temperature est la température utilisée dans le calcul en °C, hpa_pressure est la lecture actuelle du capteur, et sea_level_pressure est la pression au niveau de la mer. Sur le Nano, la température et la pression au niveau de la mer sont fixées aux valeurs standard ci-dessus, donc chaque vol est calculé exactement sur la même base. C'est la même formule bien établie utilisée par les altimètres dans tout le loisir.

Il y a deux façons de penser à la hauteur. Votre altitude au-dessus du sol, la hauteur au-dessus de la rampe de lancement, c'est ce qui intéresse la plupart des gens, et elle est très fiable, car le Nano se met à zéro sur le pas de tir et mesure la montée à partir de là. Votre altitude au-dessus du niveau de la mer dépend de la pression réelle de l'air le jour du vol, que le chiffre standard de 1013,25 hPa ne correspond que rarement exactement.

Tout au long du processus, la pression brute est nettoyée par notre filtrage True Path, qui élimine les pics occasionnels et lisse la trace sans traîner derrière le mouvement réel. Le détail complet du fonctionnement de True Path, et comment la vélocité et l'apogée sont calculés à partir des données nettoyées, se trouve sur la page True Path et apogée.

Votre hauteur est toujours mesurée par rapport au sol, donc le Nano a besoin d'un point zéro très stable pour fonctionner. Au lieu de prendre une seule lecture, pendant qu'il repose armé sur le pas de tir, il maintient une moyenne mobile couvrant juste plus de cinq secondes de lectures de pression. Pour économiser l'énergie pendant qu'il attend, le Nano recueille ces lectures à un débit d'inactivité plus bas d'environ 50 lectures par seconde (voir les modes d'énergie dans les paramètres), donc la moyenne s'élève à environ 281 lectures. Notez que c'est la cadence à laquelle les lectures sont stockées, séparée des 80 Hz et du suréchantiellonnage 16 fois que le capteur lui-même exécute. Le lissage sur cinq secondes de données élimine le bruit et donne une référence de sol très stable, et comme elle se met à jour continuellement, elle suit également la dérive lente de la pression atmosphérique à mesure que le temps change lors d'une longue attente sur le pas de tir.

Cette référence moyennée est maintenue avec un court délai pour que le lancement lui-même ne puisse pas l'entraîner vers le haut. L'instant où un lancement est détecté, le Nano verrouille la moyenne de sol établie comme le zéro pour tout le vol, et chaque hauteur dans le journal est alors mesurée à partir de là. Combiné avec le pré-buffer à rotation mobile qui sauvegarde les quelques secondes avant le lancement, cela signifie que le vrai niveau du sol et le moment du décollage sont tous deux capturés proprement.

La moyenne mobile traverse le bruit pour donner un zéro stable, et est maintenue pour que le lancement lui-même ne relève pas la référence.

Parce que le capteur lui-même est si bon, les éléments qui bougent réellement vos chiffres ont surtout à voir avec l'air et l'installation :

• Température. Le calcul de la hauteur suppose 15°C. Par une journée chaude ou froide, l'air réel est plus dense ou plus mince que cela, ce qui met légèrement à l'échelle la hauteur. C'est un petit effet, et c'est l'une des choses que vous pouvez corriger après coup.
• Réchauffement après USB. La charge et le fait d'être branché réchauffent un peu la carte. Si le Nano a été récemment connecté à l'USB, laissez-le reposer en mode vol jusqu'à six minutes pour qu'il se réajuste à la température ambiante avant le lancement. Cela permet aux lectures de se stabiliser complètement.
• Météo et pression réelle. La pression standard au niveau de la mer ne correspond que rarement à la pression réelle du jour. Cela décale principalement le chiffre au-dessus du niveau de la mer plutôt que votre hauteur au-dessus du sol.
• Aération et flux d'air. Le capteur n'est aussi bon que l'air qu'il peut voir, donc des trous de ventilation appropriés et une installation propre ont de l'importance. Il y a plus d'informations à ce sujet sur la page d'installation.
• Lumière. En tant que capteur ouvert, il peut être perturbé par la lumière, donc le garder à l'ombre aide. Là encore, voir la page d'installation.
• Très haute altitude. Le capteur de pression est évalué jusqu'à environ 300 hPa, ce qui représente environ 9 000 mètres (près de 30 000 pieds) sur l'atmosphère standard, c'est donc son plafond spécifié. Au-delà de cela, il se trouve hors de la plage évaluée du capteur. Il continuera très probablement à enregistrer une altitude plausible, mais la précision au-delà de ce point n'est pas caractérisée, nous ne pouvons donc pas la garantir.

Pour presque tous les vols, la hauteur au-dessus du sol est le chiffre auquel faire confiance, et il est excellent.

Sur les cartes Rev4 et ultérieures, le Nano porte également un capteur de mouvement LSM6DSO32, combinant un accéléromètre et un gyroscope. Nous exécutons toujours les deux à leurs plages complètes, ±32 G et ±2000 degrés par seconde, donc même un boost dur et rapide ne sort jamais de l'échelle. C'est ce qui vous donne l'angle de lancement, l'inclinaison à travers le vol et la trace d'accélération, et il est également utilisé pour confirmer un vrai lancement. C'est une mesure distincte de l'altitude, qui provient toujours du capteur de pression.

Pour transformer les lectures brutes d'accéléromètre et de gyroscope en angles de tangage, roulis et inclinaison que vous voyez, le Nano exécute un filtre de fusion de capteurs Madgwick, qui dans nos propres tests a géré les exigences du vol sensiblement mieux que les alternatives. Le gyroscope est excellent pour suivre la rotation rapide, mais seul, les minuscules erreurs s'accumuleraient lentement et l'angle dériverait loin de la vérité. Le filtre vérifie continuellement le gyroscope par rapport à la vue de la gravité de l'accéléromètre et le corrige doucement, ce qui garde l'inclinaison stable. Sans magnétomètre, il n'y a pas de cap absolu de compas, donc le cap peut toujours dériver lentement avec le temps, mais sur la courte durée d'un vol de fusée, la dérive reste faible. En pratique, les angles sont surprenamment précis et véritablement utilisables, particulièrement une fois que les capteurs ont été calibrés, ce qui supprime le biais qui cause la plupart de la dérive en premier lieu.

Pour en tirer le meilleur parti, montez le Nano fermement afin qu'il ne puisse pas bouger, réglez le paramètre d'orientation pour qu'il corresponde à sa position dans la fusée, et calibrez-le. Les chiffres d'angle ne sont aussi bons que la carte étant maintenue immobile à une orientation connue, donc un montage lâche ou un paramètre d'orientation incorrect les faussera. Il y a plus d'informations sur les pages d'étalonnage et de paramètres.

Votre journal de vol est un fichier CSV, et chaque colonne est sauvegardée avec une précision qui convient à ce qu'elle mesure plutôt qu'à la résolution brute du capteur. Écrire chaque lecture jusqu'à son dernier chiffre remplirait seulement le fichier avec des chiffres plus fins que la mesure n'est significative, donc le Nano arrondit chaque colonne judicieusement. Cela maintient les fichiers à une taille gérable tout en gardant tous les détails dont vous avez besoin. Les colonnes exactes dépendent de la carte, car Rev4 et ultérieur ajoutent les données de mouvement.

Le journal n'est donc pas conservé à la résolution absolue complète des capteurs, mais chaque colonne est conservée à une précision plus que suffisante pour analyser le vol en détail. La température change lentement, elle est donc enregistrée environ une fois par seconde plutôt que sur chaque ligne.

Parce que la hauteur embarquée utilise l'atmosphère standard, l'Altimeter Cloud vous permet de l'affiner après le vol en utilisant les conditions réelles. Sur le graphique du vol vous pouvez entrer la pression de sol réelle et la température ambiante du jour, et le graphique recalculera l'altitude pour correspondre. Si vous en avez besoin, vous pouvez ensuite télécharger le journal de vol ajusté avec les chiffres corrigés.