Optimaler Sensor zur Messung der Objektgeschwindigkeit im Freifeld?

Ich versuche, die vertikale und horizontale Geschwindigkeit eines an einem Fallschirm befestigten Objekts zu messen. Es wird aus geringer Höhe und in einem offenen Gebiet gestartet, was eine Satelliten-GPS-Verbindung ermöglicht.

Die Datenverarbeitung erfolgt nach dem Flug, sodass keine Echtzeit- oder Rechenleistungsanforderungen erforderlich sind.

Bis jetzt habe ich zwei Lösungen identifiziert:

  • 9-DOF IMU, Sensorfusion, um die absolute Orientierung zu erhalten, Integration des Beschleunigungsmessers, um den Geschwindigkeitsvektor zu erhalten.
  • GPS, Bodengeschwindigkeit für horizontale Geschwindigkeit und Höhe für vertikale Geschwindigkeit. Ich würde wahrscheinlich die GPS-Höhe mit einer relativen Höhe des Barometers verschmelzen, um die Genauigkeit zu maximieren.

Ich habe die IMU-Lösung bisher untersucht, bin aber auf einige Probleme gestoßen:

  • Die Beschleunigungssensor-Integration ist sehr fehleranfällig, da sie von der absoluten Ausrichtung, der Entfernung des Schwerkraft-Offsets, numerischen Integrationsmethoden, Rauschdämpfung, Driftkorrektur usw. abhängt.
  • Sensorfusions-SDKs sind pessimistisch in Bezug auf die Trägheitsnavigationsleistung, was mich zu der Annahme veranlasst, dass es leichter gesagt als getan ist, Geschwindigkeiten daraus zu gewinnen.

Nachdem ich einige GPS-Datenblätter gelesen habe, habe ich auch einige Probleme identifiziert:

  • Das Wetter kann GPS-Satellitensignale blockieren und die Genauigkeit hängt stark von der gesperrten Anzahl von Satelliten ab.
  • Aktualisierungsraten sind ziemlich langsam, ich sollte mich nicht auf etwas schnelleres als 2 Hz verlassen.

Ich habe folgende Fragen:

  • Vermisse ich einen anderen Sensortyp, der einfacher zu implementieren wäre und genaue Geschwindigkeitsvektoren erhalten würde?
  • Wäre das GPS eine zuverlässigere Lösung als die IMU?
  • Gehe ich richtig in der Annahme, dass die Bodengeschwindigkeit, die ich vom GPS bekomme, die horizontale Geschwindigkeit des Objekts ist?
Lauert hier irgendwo eine EE-Frage? Nach anderen Arten von Sensoren zu fragen, ist Einkaufen (off-topic). Die Frage, ob GPS zuverlässiger ist als eine IMU, ist wahrscheinlich nicht zum Thema. Die Frage nach der GPS-Geschwindigkeitsausgabe klingt nach Off-Topic.
@Andyaka In EE gibt es unzählige Fragen zu Sensoren: electronic.stackexchange.com/questions/351336/… electronic.stackexchange.com/questions/238151/… electronic.stackexchange.com/questions/27885/… Über das Einkaufen, Ich frage nicht nach einer bestimmten Referenznummer eines Geräts, sondern nach dem Sensortyp.
Das macht diese Fragen nicht zu einem guten Anzug für die Website.

Antworten (2)

GPS ist am einfachsten zu implementieren, da viel handelsübliche Hardware verfügbar ist. Mit einem robusten (stoßfesten) Empfänger ist es zuverlässig. GPS-Rohdaten sind kartesische Koordinaten im erdzentrierten Trägheitsbezugssystem, Empfänger wandeln diese in Breite/Länge/Höhe im erdfesten Rahmen um (siehe WGS-84 ). Durch die Nachbearbeitung können Sie in jeden gewünschten Referenzrahmen konvertieren.

GPS-Empfänger werten Entfernungsänderungen zu Raumfahrzeugen mit einer hohen Rate aus, oft mit 1 kHz. Noch besser, diese Deltas sind genauer als die Positionslösung (aufgrund von Mehrdeutigkeiten). Leider sind die rohen Pseudoentfernungsdaten und -raten oft nicht von Geräten der Verbraucherklasse verfügbar. Die Positionslösung erfolgt dagegen oft nur mit 1Hz, bessere Geräte schaffen 10 Lösungen pro Sekunde. Um die Sache noch schlimmer zu machen, führen Löser eine Tiefpassfilterung bei der Beschleunigung durch. Dadurch sieht die Ausgabe besser aus (weniger verrauscht), ist aber weniger genau. Wenn Sie Genauigkeit wollen, berechnen Sie keine Deltas aus Lösungen, sondern suchen Sie nach rohen Pseudoentfernungen und Dopplerraten (RINEX-Format ist das Schlüsselwort, nach dem Sie suchen müssen).

Die Wetterbedingungen werden wahrscheinlich kein Problem sein, ich nehme an, Ihr Fallschirm befindet sich im offenen Himmel? Fallschirmstoff sollte mikrowellendurchlässig sein (gilt das auch für nassen Stoff?). Die Patch-Antenne sollte oben platziert werden, um die Satellitensicht auch beim Drehen zu erhalten.

Ruckler beim Ausfahren des Hochgeschwindigkeitsschirms können ein Problem sein, Ihr Empfänger kann vorübergehend die Verbindung zu Satelliten verlieren, wenn die Dynamik der Sichtlinie überschritten wird 10 M / S 2 (Dies ist auf die begrenzte Schleifenbandbreite in den Tracking-Schleifen zurückzuführen und gilt auch bei Verwendung von Rohdaten).

Danke für die sehr ausführliche Erklärung. Ich dachte ursprünglich, nur die NMEA-Meldungen zu verwenden, um Geschwindigkeit und Höhe über Grund zu extrahieren. Glauben Sie, dass die Bodengeschwindigkeit nicht mit der horizontalen Verschiebung der am Fallschirm befestigten Last korreliert? Ich habe auch GPS-Module überprüft, und es scheint, dass GNSS-Module wie das NEO-M8 heutzutage für Drohnenanwendungen sehr beliebt sind. Glauben Sie, sie könnten mir in irgendeiner Weise bei reinen GPS-Lösungen helfen? Wäre eine SMD-Antenne nachteilig für die Satellitenverriegelung oder -genauigkeit, vorausgesetzt, sie ist nach oben gerichtet?
@gstorto Die NMEA-Bodengeschwindigkeit ist im Durchschnitt genau, aber Sie werden möglicherweise feststellen, dass sie langsam auf Änderungen reagiert. Es kann nach plötzlichen Geschwindigkeitsänderungen überschwingen , ein Effekt der Kalman-Filterung. NEO-M8 ist gut, überprüfen Sie den UBX-Nachrichtentyp. Die Leistung von auf Leiterplatten montierten Antennen ist in Ordnung, wenn Sie alles richtig machen ... aber es ist nicht trivial, es richtig zu machen. Investieren Sie ein paar Gramm Nutzlastgewicht für eine separate Patchantenne. Passive Antenne ist in Ordnung, wenn das Kabel kurz ist.

Die IMU-Integration ist dafür zu unzuverlässig, es sei denn, Sie geben erstaunlich viel Geld für die Sensoren aus. GPS ist die einzige zuverlässige, kompakte und kostengünstige Möglichkeit, dies zu tun. Bis zu einem gewissen Grad können Sie durch "Sensorfusion" schnellere Updates erhalten, indem Sie ein GPS und eine IMU zusammen verwenden, aber dies erfordert viel Rechenaufwand. Wenn dies andererseits ein Fallschirm ist, wird seine Geschwindigkeit nach dem Öffnen ziemlich konstant sein.

Wenn Sie den Platz und die Macht und das Geld haben, gibt es andere Techniken wie optische oder Radar-Bodenverfolgung.

Zu diesem Schluss kam ich auch. Ich möchte der Frage nur hinzufügen, dass die Datenverarbeitung nach dem Flug erfolgen wird, da sie nur zur Bewertung der Fallschirmleistung dient. Ich glaube jedoch nicht, dass es etwas an Ihrer Antwort ändert.
Optimaler Sensor zur Messung der Objektgeschwindigkeit im Freifeld?
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