Проект FlyBeeper TAS

Это внешний датчик истинной воздушной скорости для использования в летных программах. Подключается по блютус. Оптимизировано для скоростей полета параплана, но может использоваться на дельтапланах на скорости до 103 км/ч IAS.

Теория

Принцип измерения скорости основан на трубке пито.

    \[ V = \sqrt{\frac{2*dP}{\rho}}, \]

    \[ \rho = \frac{M*P}{R*T},\]

    \[ M = 0.02895 - 0.010934 * RH* \frac{Pn}{P}, \]

    \[ Pn = k*4.579*\exp(\frac{17.14*t}{235.3+t}) \]

где: V — скорость (м/с), dP — дифференциальное давление (Па), P — статическое давление (Па), R — универсальная газовая постоянная 8.31447 (Дж/(моль∙К)), M — молярная масса (кг/м3), RH — относительная влажность (о.е.), Pn — давление насыщенного водяного пара, T — температура насыщенного пара (K), t — температура (градусы), k — переводной коэффициент размерности = 133.3 для Паскалей.

Если применить стандартную плотность rho = 1.225 кг/м3, то можно ограничиться датчиком дифференциального давления и получим индикаторную скорость IAS. Для определения истинной воздушной скорости TAS согласно теории необходимы дополнительно датчик атмосферного давления, датчик температуры и влажности. Причем на скоростях 50 км/ч показания последнего влияют на 0,1 км/ч при изменении влажности на +-50%. Поэтому от датчика влажности можно отказаться. Изменение температуры на 10 градусов меняет скорость на 1 км/ч. Изменение давления на 10 кПа изменяет скорость на 3 км/ч. При точности датчика дифференциального давления в околонулевых значениях 0,1 Па, минимальная измеряемая скорость — 1.5 км/ч. Максимальная измеряемая скорость 103 км/ч при стандартной атмосфере что соответствует верхнему пределу датчика дифференциального давления 500 Па. Чем выше скорость, тем выше точность, т.к. зависимость скорости от разницы давления квадратична. Однако у датчиков дифференциального давления довольно высокая погрешность шкалы — около 3%, т.е. разные экземпляры датчика могут показывать разные значения в пределах 3%. Это погрешность 0,7 км/ч на скоростях 50 км/ч, но она статическая. Есть также точность повторяемости шкалы 0.5%, т.е. при одинаковом давлении показания датчика могут плавать на 0.5%. Это дает 0.13 км/ч погрешности на скоростях 50 км/ч. В целом, все погрешности приемлемы.

Есть другие формулы, результаты расчетов по которым совпадают с приведенными выше с небольшой погрешностью, что в целом подтверждает правильность вычислений.

После упрощений если принять влажность 50% то итоговая формула:

    \[ V_{true} = 23.9667 \cdot \sqrt{ \frac{dP \cdot (273.15 + t)}{P - 115.266 \cdot e^{(17.4 \cdot t)/(235.3 + t)}}} \]

Можно еще упростить приняв влажность 0% как при стандартных условиях:

    \[ V_{true} = 23.9667 \cdot \sqrt{ \frac{dP \cdot (273.15 + t)}{P} \]

Погрешность из-за влажности на порядок меньше чем погрешность самой трубки Пито, поэтому в авиации влажность не учитывают.

Теоретически вычисленная скорость должна быть скорректирована с учетом свойств инструментальных средств, а именно строением трубки Пито. Необходимо вычислить поправочный коэффициент k.

Приемник воздушного давления

Расчеты показали, что внутренний диаметр трубки имеет большое влияние на коэффициент местного сопротивления, поэтому все маленькие трубки для DIY которые продаются на массмаркет не подходят. На основании многочисленных симуляций и параметрических расчетов была разработана уникальная конструкция трубки Пито. По размерам она гораздо ближе к тем, что применяются на настоящих самолетах. Чем выше скорость тем выше точность до определенного значения. Вот почему важны параметры приемника воздушного давления на низких скоростях. При увеличении скорости давление в статической камере почти не меняется, а в динамической растет. Этот перепад попадает на датчик дифференциального давления, расположенный сразу за трубкой Пито, которая представляет собой единой целое с корпусом и выполнена из жесткого пластика, поэтому сопротивление меньше а точность больше. Итоговый поправочный коэффициент 4%, тогда как у обычных массовых трубок Пито — до 50%.

Электрическая схема

Прибор основан на эффективном микроконтроллере блютус семейства NRF52 от Nordic со встроенным FPU, что делает наши математические расчеты быстрыми. В приборе не используются никакие модули — вся схема собирается на одной плате. На ней расположены датчик дифференциального давления, датчик атмосферного давления и температуры, микроконтроллер, кнопка сброса, разъем питания для литиевого аккумулятора, стабилизатор питания, разъем для солнечной панели, антена блютус.

Вторая версия проектировалась со схемой зарядки от USB type C.

Блютус

Данные о вычисленной скорости TAS отдаются через сервис Location and Navigation service 0x1819. Характеристика TAS не стандартизована и врядли когда-то будет из-за редкого использования. Поэтому сгенерировал свой уникальный UUID 234337bf-f931-4d2d-a13c-07e2f06a0249. Для удобства и более полного соответствия стандарту блютус заполнил Characteristic Presentation Format из которой следует что значение следует рассматривать как INT16 LE, форматировать с точностью до десятых и интерпретировать как км/ч. Для удобства отдельно доступна IAS с UUID UUID 234337bf-f931-4d2d-a13c-07e2f06a0248.

Кроме TAS отдаю статическое давление и температуру через сервис Environmental Sensing также как и в предыдущих проектах Проект FlyBeeper Pressure Sensor, Проект FlyBeeper mini BT. Также доступна величина заряда батареи через 0x180F Battery Service — характеристика 0x2a19 Battery Level.

Режимы работы

Благодаря очень экономичному чипу прибор всегда включен. При отсутствии блютус подключения все датчики находятся в режиме сна, а микроконтроллер отправляет рекламные пакеты по блютус каждые 4 сек, что позволяет обнаружить устройство и подключиться к нему. В таком режиме полного заряда батареи хватит на несколько лет.

При подключении по блютус и подписке на характеристику температуры запускается только измерение температуры, на характеристику давления — запускаются измерения температуры и давления, на характеристику истинной скорости — активируются все доступные датчики. Так как прибор имеет солнечную батарею, то время работы в этом режиме ограничено лишь условиями освещенности и сроком службы используемых компонентов. По этой причине разъем для зарядки не предусмотрен.

Еще один технический режим — это режим обновления прошивки по воздуху OTA. Это не сложно сделать самостоятельно, поэтому если при эксплуатации будут выявлены какие-то недостатки то простой для пользователя способ обновления прошивки тут в помощь.

Корпус устройства

Концепт имеет монолитную конструкцию из жесткого гомогенного пластика объединяющую трубку Пито, отделение электронных компонентов, настраиваемую систему крепления подвеса, три лепестка хвостового стабилизатора. Конструкция проектировалась с применением симуляции потока и будет адаптироваться по результатам натурных испытаний. В приоритете были: обеспечение жесткости конструкции чтобы выдерживать транспортировку; снижение коэффициента местного сопротивления для увеличения точности на малых скоростях потока; обеспечение системы хранения шнура подвеса и легкость его автоматической размотки при сбрасывании за борт; снижение веса (35 г) для уменьшения эффекта маятника.

После первых испытаний выявилась слабость конструкции из-за необходимости ревизионного отверстия для компонентов. Также пришлось временно отказаться от солнечной панели в хвостовом отделе из-за слабости крепления. Разработан новый концепт, использующий стандартные алюминиевые трубки 20 мм с толщиной стенки 1-1.5 мм в качестве корпуса. Хвостовой стабилизатор будет съемным, что обеспечит не только ремонтопригодность но и возможность установки устройства на раму дельтаплана. При использовании прозрачных трубок из поликарбоната в будущем можно будет вернуться к варианту с солнечной панелью внутри корпуса.

Программное обеспечение

Что касается поддержки этого датчика летными программами, то на начало 2024 года уже есть бета версия xcTrack которая поддерживает прямое считывание TAS характеристики. Также реализована альтернативная передача текстовых пакетов в формате LXWP0. Это делает устройство совместимым с большинством летных приложений, принимающих данные по блютус через эмуляцию UART. Вместе с тем существует прогрессивное веб-приложение, которое может быть установлено и работать оффлайн. Оно как минимум имеет возможность отображать данные и писать логи их изменения. Собственно так я и тестирую прибор. Через данное web-приложение можно конфигурировать прибор и следить за обновлениями его прошивки. Единственный минус — оно пока не может работать в фоне. Зато есть темный режим для OLED и перевод на 6 языков.

Т.к. в этом датчике присутствует наиболее полная информация об атмосфере, то скорее всего приложение будет дополнено расчетом направления и силы ветра. Этот расчет будет более точным чем просто использвание данных местоположения.

Проект FlyBeeper TAS: 2 комментария

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *