Hoogte en fusie nauwkeurigheid

De Nano is gebouwd rond een druksensor van zeer hoge kwaliteit, en vanaf Rev4 ook een bewegingssensor. Deze pagina legt uit waar de getallen vandaan komen, hoe nauwkeurig ze zijn, en de paar dingen die ze kunnen beïnvloeden, zodat je weet wat je van je gegevens kunt verwachten.

De hoogte op de Nano wordt bepaald door luchtdruk te meten, en daarvoor gebruikt het de Bosch BMP581, een van de meest nauwkeurige barometrische sensoren beschikbaar. Het is een 24-bits capacitieve sensor met een relatieve nauwkeurigheid van ongeveer een halve meter en ruis die laag genoeg is om hoogteveranderingen van slechts enkele centimeters op te pikken. Het is een van de nieuwere capacitieve sensoren van Bosch, een stap voorbij de piezo-resistieve technologie die in eerdere ontwerpen werd gebruikt, en die verandering zorgt ervoor dat het aanzienlijk minder ruis, veel lager stroomverbruik en hogere gegevenssnelheden heeft. Simpel gezegd: de sensor is veel nauwkeuriger dan de atmosfeer die het meet voorspelbaar is, dus het is zelden de beperkende factor in je resultaten. Het meet ook zijn eigen temperatuur en compenseert zijn drukmetingen ervoor direct op de chip, iets wat veel eenvoudigere sensoren niet doen, wat de ruwe druk nauwkeurig houdt als de sensor opwarmt of afkoelt.

Voor de schoonste mogelijke uitlezing voeren we de BMP581 uit op 80 Hz met 16 keer oversampelen. Dit betekent dat voor elke drukwaarde die het uitvoert, de sensor 16 interne metingen doet en middelt, dus ongeveer 1.280 drukmetingen per seconde voeden in de gegevens. Oversampelen op deze manier ruilt ruwe omzettingssnelheid in voor veel minder ruis, en op 80 Hz is er nog steeds veel snelheid beschikbaar voor zelfs een snelle boost. De BMP581 kan tot 32 keer oversampelen, maar 16 geeft de beste balans van ruis en snelheid voor vlucht.

Rev3 en eerdere borden gebruiken in plaats daarvan de oudere Bosch BMP390, een piezo-resistieve sensor, uitgevoerd op 50 Hz met 8 keer oversampelen, wat het maximum van die sensor is, voor ongeveer 400 metingen per seconde. Het is nog steeds een zeer capabele sensor, en alleen een klein aantal vroege borden werden gemaakt voor de overstap naar de BMP581.

De Nano converteert de gemeten druk in hoogte met behulp van de internationale standaardatmosfeer, hetzelfde model dat gebruikt wordt in de luchtvaart en competitievliegen. Het gaat uit van een zeespiegelniveau van 1013,25 hPa en een temperatuur van 15°C. Het gebruik van een vaste standaard zoals dit is opzettelijk: het betekent dat elke vlucht, en elke vlieger, op precies dezelfde basis wordt gemeten, wat competitierecords nodig hebben.

De exacte conversie is de standaartatmosferische formule:

Hier is temperature de temperatuur die in de berekening in °C wordt gebruikt, hpa_pressure is de huidige meting van de sensor, en sea_level_pressure is de druk op zeeniveau. Op de Nano zijn de temperatuur en zeespiegeldruk vast ingesteld op de standaardwaarden hierboven, dus elke vlucht wordt op precies dezelfde basis berekend. Het is dezelfde goed gevestigde formule die door altimeters in de hobby wordt gebruikt.

Er zijn twee manieren om over de hoogte na te denken. Je hoogte boven de grond, de hoogte boven het lanceringplatform, is wat de meeste mensen willen, en het is erg betrouwbaar, omdat de Nano zichzelf op het platform nullt en de stijging daarvan meet. Je hoogte boven zeeniveau hangt af van de werkelijke luchtdruk op de dag, wat de standaard 1013,25 hPa-cijfer zelden exact zal kloppen.

Gedurende het hele proces wordt de ruwe druk opgeschoond door onze True Path-filtering, die incidentele pieken verwijdert en de trace glad maakt zonder achter de werkelijke beweging aan te hinken. De volledige details van hoe True Path werkt, en hoe snelheid en apogeum uit de schoongeveegde gegevens worden berekend, staan op de True Path en apogeum pagina.

Je hoogte wordt altijd gemeten ten opzichte van de grond, dus de Nano heeft een rock-solid nulpunt nodig. In plaats van een enkele meting uit te voeren, terwijl het armstand op het platform zit, handhaaft het een voortschrijdend gemiddelde van iets meer dan vijf seconden drukmetingen. Om stroom te besparen terwijl het wacht, verzamelt de Nano deze met een lagere inactieve snelheid van ongeveer 50 metingen per seconde (zie de energiemodi in de instellingen), dus het gemiddelde komt uit op ongeveer 281 metingen. Merk op dat dit het snelheid is waarop metingen worden opgeslagen, gescheiden van de 80 Hz en 16 keer oversampelen die de sensor zelf uitvoert. Smoothing over vijf seconden gegevens verwijdert de ruis en geeft een erg stabiel grondnulpunt, en omdat het voortdurend wordt bijgewerkt, volgt het ook de langzame drift in luchtdruk als het weer verandert tijdens een lang wachten op het platform.

Dit gemiddelde referentiepunt wordt met een korte vertraging vastgehouden zodat de lancering zelf het niet omhoog kan trekken. Op het moment dat een lancering wordt gedetecteerd, vergrendelt de Nano het vastgestelde grondgemiddelde als het nulpunt voor de hele vlucht, en elke hoogte in het logboek wordt dan ervan gemeten. Gecombineerd met de voortschrijdende pre-buffer die de paar seconden voor lancering opslaat, betekent dit dat zowel het werkelijke grondniveau als het moment van afheffing schoon worden vastgelegd.

Het voortschrijdend gemiddelde rijdt door de ruis om een stabiel nulpunt te geven, en wordt vastgehouden zodat de lancering zelf het referentiepunt niet omhoog trekt.

Omdat de sensor zelf zo goed is, zijn de dingen die je getallen werkelijk verplaatsen meestal gerelateerd aan de lucht en de installatie:

• Temperatuur. De hoogtebrekening gaat uit van 15°C. Op een hete of koude dag is de werkelijke lucht dichter of dunner dan dat, wat de hoogte licht schaalt. Het is een klein effect, en het is een van de dingen die je achteraf kunt corrigeren.
• Opwarming na USB. Opladen en USB-aansluiting warmen het bord een beetje op. Als de Nano onlangs is aangesloten op USB, laat het dan tot zes minuten in vliechtmodus zitten zodat het terug naar de omgevingstemperatuur zakt voor je lancering. Dit stelt de aflezingen volledig in.
• Weer en werkelijke druk. De standaardzeespiegeldruk komt zelden exact overeen met de werkelijke druk op de dag. Dit verschuift voornamelijk het boven zeeniveaufiguur in plaats van je hoogte boven de grond.
• Ventilatie en luchtstroming. De sensor is slechts zo goed als de lucht die hij kan zien, dus correcte ventilatie-openingen en een schone installatie zijn belangrijk. Er is meer over dit onderwerp op de installatiegegevens.
• Licht. Als een open sensor kan het door licht worden verstoord, dus het uit de zon houden helpt. Kijk ook op de installatiegegevens.
• Zeer hoge hoogte. De druksensor is beoordeeld tot ongeveer 300 hPa, wat ongeveer 9.000 meter (bijna 30.000 voet) is op de standaardatmosfeer, dus dat is zijn opgegeven plafond. Hierboven ligt het buiten het gespecificeerde bereik van de sensor. Het zal waarschijnlijk een geloofwaardige hoogte blijven opnemen, maar de nauwkeurigheid voorbij dit punt is niet gekarakteriseerd, dus we kunnen ervoor instaan.

Voor vrijwel alle vluchten is de hoogte boven de grond het getal om op te vertrouwen, en het is uitstekend.

Op Rev4 en latere borden heeft de Nano ook een LSM6DSO32-bewegingssensor, die een versnellingsmeter en gyroscoop combineert. We voeren beide altijd op hun volledige bereiken uit, ±32 G en ±2000 graden per seconde, zodat zelfs een harde, snelle boost nooit buiten schaal loopt. Dit is wat je de lanceringhoek, de helling gedurende de vlucht en het versnellingsspoor geeft, en het wordt ook gebruikt om een echte lancering te bevestigen. Het is een afzonderlijke meting van de hoogte, die altijd van de druksensor afkomstig is.

Om de ruwe versnellingsmeter- en gyroscoopaflezingen om te zetten in de pitch-, rol- en kantelhoeken die je ziet, voert de Nano een Madgwick-sensorfusiefilter uit, die in onze eigen tests de eisen van vlucht merkbaar beter aankon dan de alternatieven. De gyroscoop is uitstekend voor het volgen van snelle rotatie, maar op zichzelf zouden kleine fouten langzaam optellen en zou de hoek van de waarheid weg drijven. Het filter controleert de gyroscoop voortdurend tegen het zwaartekrachtsperspectief van de versnellingsmeter en corrigeert het voorzichtig, wat de helling stabiel houdt. Zonder een magnetometer is er geen absoluut kompaskoers, dus de koers kan nog steeds langzaam verloop in de loop van de tijd, maar over de korte duur van een raketschietvlucht blijft de drift klein. In de praktijk zijn de hoeken verrassend nauwkeurig en echt bruikbaar, vooral nadat de sensoren zijn gekalibreerd, wat de voorkeur verwijdert die de meeste drift veroorzaakt.

Om het meeste ervan te krijgen, zet de Nano stevig vast zodat het niet kan bewegen, stel de oriënteringsinstelling in op hoe het in de raket zit, en kalibreer het. De hoekgetallen zijn slechts zo goed als het bord dat stil wordt gehouden in een bekende oriëntering, dus een losse montage of een verkeerde oriënteringsinstelling zal ze afwerpen. Er is meer in de calibratie- en instellingenpagina's.

Je vluchtlogboek is een CSV-bestand, en elke kolom wordt opgeslagen met een nauwkeurigheid die bij wat het meet past, in plaats van de ruwe resolutie van de sensor. Elke uitlezing tot zijn laatste cijfer schrijven zou het bestand alleen opvullen met cijfers die fijner zijn dan waar de meting zinvol is, dus de Nano rondt elke kolom verstandig af. Dit houdt de bestanden op een beheersbare omvang terwijl al het detail behouden blijft dat je nodig hebt. De exacte kolommen zijn afhankelijk van het bord, omdat Rev4 en latere de bewegingsgegevens toevoegen.

Het logboek wordt dus niet op de absolute volledige resolutie van de sensoren bijgehouden, maar elke kolom wordt op een nauwkeurigheid gehouden die meer dan voldoende is om de vlucht in detail te analyseren. Temperatuur verandert langzaam, dus het wordt ongeveer eenmaal per seconde opgenomen in plaats van op elke rij.

Omdat de ingebouwde hoogte de standaardatmosfeer gebruikt, kunt u deze na de vlucht verfijnen met de Altimeter Cloud met behulp van de werkelijke omstandigheden. Op de vluchtkaart kunt u de werkelijke grondniveaudruk en de omgevingstemperatuur op de dag invoeren, en de kaart zal de hoogte opnieuw berekenen om overeen te komen. Indien nodig kunt u vervolgens het aangepaste vluchtlogboek met de gecorrigeerde cijfers downloaden.