¿Sensor óptimo para medir la velocidad de un objeto en un área abierta?

Estoy tratando de medir la velocidad vertical y horizontal de un objeto sujeto a un paracaídas. Se lanzará desde una altura baja y en un área abierta, lo que permitirá el bloqueo del GPS satelital.

El tratamiento de datos será posterior al vuelo, por lo que no hay requisitos de potencia de procesamiento o en tiempo real.

Hasta ahora, he identificado dos soluciones:

  • 9-DOF IMU, fusión de sensores para obtener orientación absoluta, integración de acelerómetro para obtener el vector de velocidad.
  • GPS, velocidad respecto al suelo para velocidad horizontal y elevación para velocidad vertical. Probablemente combinaría la elevación del GPS con la altitud relativa de un barómetro para maximizar la precisión.

He explorado la solución IMU hasta ahora, pero he encontrado algunos problemas:

  • La integración del acelerómetro es muy propensa a errores, ya que depende de la orientación absoluta, la eliminación del desplazamiento de la gravedad, los métodos de integración numérica, la atenuación del ruido, la corrección de la deriva, etc.
  • Los SDK de fusión de sensores son pesimistas sobre el rendimiento de la navegación inercial, lo que me lleva a pensar que obtener velocidades es más fácil decirlo que hacerlo.

Después de leer algunas hojas de datos de GPS, también he identificado algunos problemas:

  • El tiempo puede bloquear las señales de los satélites GPS y la precisión depende en gran medida del número de satélites bloqueados.
  • Las tasas de actualización son bastante lentas, no debería confiar en algo más rápido que 2 Hz.

Tengo las siguientes preguntas:

  • ¿Me estoy perdiendo otro tipo de sensor que sería más fácil de implementar y obtener vectores de velocidad precisos?
  • ¿Sería el GPS una solución más fiable que la IMU?
  • ¿Estoy en lo correcto al suponer que la velocidad de avance que obtengo del GPS es la velocidad horizontal del objeto?
¿Hay una pregunta de EE al acecho aquí en alguna parte? Preguntar por otros tipos de sensores es comprar (fuera de tema). Preguntar si el GPS es más confiable que una IMU probablemente esté fuera de tema. Preguntar sobre la salida de velocidad del GPS parece estar fuera de tema.
@Andyaka Hay toneladas de preguntas en EE sobre sensores: electronics.stackexchange.com/questions/351336/… electronics.stackexchange.com/questions/238151/… electronics.stackexchange.com/questions/27885/… Acerca de las compras, No estoy pidiendo un número de referencia específico de un dispositivo, sino el tipo de sensor.
Eso no hace que esas preguntas se adapten bien al sitio.

Respuestas (2)

El GPS es más fácil de implementar con una gran cantidad de hardware listo para usar disponible. Con un receptor robusto (resistente a los golpes), será confiable. Los datos sin procesar del GPS son coordenadas cartesianas en un marco de referencia inercial centrado en la tierra, los receptores convierten esto a latitud/longitud/altura en el marco fijo de la tierra (ver WGS-84 ). El posprocesamiento le permitirá convertir a cualquier marco de referencia que desee.

Los receptores de GPS evalúan los cambios de distancia a los vehículos espaciales a un ritmo elevado, a menudo a 1 kHz. Aún mejor, estos deltas son más precisos que la solución de posición (debido a las ambigüedades). Desafortunadamente, los datos y tasas de pseudodistancia sin procesar a menudo no están disponibles en equipos de grado de consumo. La solución de posición, por el contrario, si a menudo se hace solo a 1 Hz, las mejores unidades hacen 10 soluciones por segundo. Para empeorar las cosas, los solucionadores realizan un filtrado de paso bajo en la aceleración. Esto hace que la salida se vea mejor (menos ruidosa), pero es menos precisa. Si desea precisión, no calcule deltas a partir de soluciones; en su lugar, busque pseudorangos y tasas doppler sin procesar (el formato RINEX es la palabra clave que debe buscar).

Las condiciones climáticas probablemente no serán un problema, ¿supongo que su paracaídas está en cielo abierto? La tela del paracaídas debe ser transparente a las microondas (¿también es cierto para la tela mojada?). La antena de parche debe colocarse en la parte superior para mantener la visibilidad del satélite incluso cuando gira.

Las sacudidas en el despliegue del conducto de alta velocidad pueden ser un problema, su receptor puede perder temporalmente el bloqueo de los satélites si la dinámica de la línea de visión excede 10 metro / s 2 (Esto se debe al ancho de banda de bucle limitado en los bucles de seguimiento y se aplica incluso cuando se utilizan datos sin procesar).

Gracias por la explicación muy detallada. Inicialmente estaba pensando en usar solo los mensajes NMEA para extraer la velocidad y la altitud. ¿Crees que la velocidad con respecto al suelo no se correlacionará con el desplazamiento horizontal de la carga unida al paracaídas? También estuve comprobando los módulos GPS, y parece que los módulos GNSS, como el NEO-M8, son bastante populares para las aplicaciones de drones en estos días. ¿Crees que podrían ayudarme de alguna manera con las soluciones solo de GPS? ¿Sería una antena SMD perjudicial para el bloqueo o la precisión del satélite, suponiendo que esté apuntando hacia arriba?
La velocidad de avance de @gstorto NMEA será precisa en promedio, pero es posible que responda lentamente a los cambios. Puede pasarse después de cambios repentinos de velocidad, un efecto del filtrado kalman. NEO-M8 es bueno, verifique el tipo de mensaje UBX. El rendimiento de las antenas montadas en PCB estará bien si hace todo bien... pero no es trivial hacerlo bien. Invierta unos pocos gramos de peso de carga útil para una antena de parche separada. La antena pasiva está bien si el cable es corto.

La integración de IMU es demasiado poco confiable para esto a menos que gaste una cantidad asombrosa de dinero en los sensores. El GPS es la única forma confiable, compacta y económica de hacerlo. Hasta cierto punto, puede obtener actualizaciones más rápidas a través de la "fusión de sensores", usando un GPS y una IMU juntos, pero esto requiere mucho cálculo. Por otro lado, si se trata de un paracaídas, su velocidad será bastante constante una vez que se abra.

Si tiene el espacio, el poder y el dinero, entonces existen otras técnicas como el seguimiento terrestre óptico o por radar.

Yo también estaba llegando a esta conclusión. Solo agregaré a la pregunta que el tratamiento de datos será posterior al vuelo, ya que es solo para la evaluación del rendimiento del paracaídas. Sin embargo, no creo que cambie nada en tu respuesta.
¿Sensor óptimo para medir la velocidad de un objeto en un área abierta?
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