Как БПЛА стабилизируется в полете

Чтобы стабилизировать беспилотник в воздухе, нужно собрать и обработать информацию с инерциального измерительного блока (IMU), тем самым обеспечить аэродинамическую устойчивость аппарата в горизонтальной плоскости. 

Инерциальный измерительный блок — система, которая определяет свое положение в пространстве, используя свойства инерции тел. То есть IMU фиксирует, на какой угол и по какой оси поворачивается и смещается блок относительно начальной точки.

Система состоит из датчиков линейного ускорения (акселерометр) и угловой скорости (гироскоп). Некоторые IMU включают в себя также магнитометры, чтобы стабилизировать ориентацию аппарата относительно магнитного меридиана и удерживать направление движения.

Акселерометр — датчик, который измеряет проекцию кажущегося ускорения (разность между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением) на ось чувствительности. 

На БПЛА устанавливается трехосевой акселерометр. Такой датчик содержит три независимых чувствительных элемента, для каждого из них используется отдельная пробная масса, которая смещается при возникновении ускорения вдоль данной оси.

Гироскоп — датчик, который реагирует на изменение углов ориентации БПЛА относительно инерциальной системы отсчета. Устройство также состоит из трех независимых элементов — одноосных вибрационных датчиков угловой скорости, которые реагируют на вращение вокруг осей.

Движение воздушных судов рассматривается в подвижной связанной системе координат (СК). Она задается так:

• начало — центр масс летательного аппарата (ЛА);
• вертикальная ось — ось, лежащая в вертикальной плоскости симметрии ЛА;
• продольная ось — перпендикулярная вертикальной, направлена вдоль строительной оси корпуса беспилотника;
• поперечная — ось, направленная в сторону правой консоли крыла.

Чтобы определить положение аппарата относительно земной СК, необходимо знать взаимное положение начал разных систем (расстояние между точками Og и O) и взаимное угловое положение осей земной и связанной СК.

Для стабилизации БПЛА в пространстве знать первую величину не обязательно. Угловое положение связанной СК относительно земной описывается тремя углами поворота.

1. Рыскание (yaw) — поворот вокруг вертикальной оси, при котором аппарат поворачивает нос вправо и влево.

2. Тангаж (pitch) — поворот вокруг поперечной оси, при котором ЛА опускает и поднимает нос.

3. Крен (roll) — поворот вокруг продольной оси, при котором самолет поднимает одну и опускает другую консоль крыла.

Угловое положение самолета вычисляется из угловых скоростей, полученных с гироскопа. Датчик реагирует на наклон, вследствие чего рассчитываются значения углов. С их помощью вычисляется матрица преобразования из связанной СК в земную, которая затем умножается на ускорение, измеренное в акселерометре.

Если из полученных значений вычесть ускорение свободного падения, получим ускорение самолета в земной СК.

Таким образом на микроконтроллер непрерывно поступают навигационные данные, которые позволяют рассчитать изменения углов ориентации относительно предыдущего положения ЛА в пространстве. Уже эти данные микроконтроллер направляет в электронные регуляторы оборотов двигателей для коррекции положения БПЛА.