IMU teknolojisi - Betaflight Fitreler

Apollo uzay aracında kullanılan IMU

Uçaklar, insansız hava araçları (IHA) ve uzay araçları,  manevra kabiliyeti için  hassas ölçümler yapan  pozisyonel sensörlere  IMU (Inertial Measurement Unit) e  ihtiyaç duyarlar. 

Bu sensör türlerinin bazıları şunlardır;

Gyro sensor - angular rate sensörü  3 eksen pozisyonel konum ölçümü için,

Akselometre - Acc sensörü 3 eksen ivmelenme ölçümü için,

Pusula magnetometre sensörü 3 eksen  yön bilgisi için,

Barometre atmosferik basınç sensörü dikey eksende yükseklik bilgisi için

kullanılmaktadır. 

Bu hassas ölçümleri  yapmak için geliştirilen cihazlar önceleri çok büyük ağır ve üretim açısından pahalı cihazlar idi. Ancak MEMS (Micro Electro Mecanical System) teknolojisinin gelişmesi ile günümüzde daha hassas daha küçük ve daha ucuz sensör üretmek mümkün hale gelmiştir. Bu gelişmenin bize en hissedilir  yansıması cep telefonlarında bu sensörlerin kullanılması ile olmuştur.

6 dof MEMS IMU 4x4x1mm

MEMS teklnolojisi ile üretilen bu küçük algılayıcı chiplerde başlangıçta her birinde sadece bir sensör türü yer alırken daha sonraları  Gyro ve ACC birarada (6-DOF  MPU 6000)   en son  Gyro ACC ve Magnetometer bir arada  (9-DOF  MPU 9000)  sensör chipleri üretilmiştir.

9 dof MEMS IMU

Bizim hobi amaçlı kullandığımız dron ların kontrol kartlarında bu sensör chip lerinden biri bulunmaktadır. Hatırlarsanız FC kartların özellikleri listelenirken 6DOF, 9DOF ve ya 10DOF (10. Barometre dir) yazılır ki bunlar üzerindeki sensör sayısından bahsetmektedir. Bu sensör chiplerinden  en popüler olanı yukarıda resimleri olan INVENSENSE firmasının üretttiği  ICM 6000 ve ICM 9000 serisidir. Bu sensörler 4x4x0,9mm boyutlarındadır.

Bizim kullandığımız kontrol kartlarında yeralan işlemciler (F3, F4, F7 ) bu sensörlerden aldığı ölçümleri, üzerine yüklediğimiz yazılımlar (Betaflight, INAV gibi) aracılığı ile aynı zamanda bizim kumandadan gönderdiğimiz komutlar ile harmanlayıp işleyerek dron un idaresini sağlamaktadırlar. 

Bu açıdan baktığımızda kullandığımız sensörler işleyiş için en hassas elemanlar olarak karşımıza çıkmaktadırlar. 

Sensörlerimizi doğru çalışmasını etkileyen faktörler arasında ölçüm hassasiyeti, yerleşim hizalama ve gürültüden etkilenme durumları söz konusudur. 

Sensörlerin işleyişi açısından istenmeyen bu gürültünün (noise) elektiriksel ve mekanik olmak üzere 2 etkeni vardır. 

Elektiriksel gürültünün kaynağı voltaj düzensizlikleri motor ve esc den kaynaklı ani voltaj yükselmeleridir. Bunu önlemenin iki yolu opto (izole) esc ve ve Low ESR kapasitör kullanmaktır. Bu iki önlem elektiriksel gürültü oluşmasını önlemektedir. Günümüzde dronlar için üretilen escler izole olup yanlarında Low ESR kapasitör ile birlikte geldiğinden bu kapasitörleri kullanarak elektiriksel gürültüyü önleyebiliriz. 

Mekanik gürültünün de iki kaynağı vardır. Bunlardan birincisi gövdenin yapısından kaynaklanan rezonans ikincisi motorlar ve pervanelerden gelen vibrasyon ve türbülans dır. 

Gövdeden kaynaklanan rezonans kolların şekli ( kare yassı,  boru)  kalınlığı (4mm 5mm 6mm ) ve tasarımı gibi yapısal faktörlere bağlıdır. Tasarım ve üretim aşamasında rezonansı engelleyici tasarım ve uygun materyal kullanımı gerekir. 

5 inch sınıfında başarılı olan bir frame in  aynı tasarımda kollar uzatılarak 6-7-8 inch pervenalere ugun hale getirilmesi durumunda  başarılı olması beklenmemelidir. Yani başarılı bir frame sadece kolları uzatılarak daha büyük yapılırsa o frame rezonas problemleri olur. Bu da sensörlerde noise gürültüye neden olarak ayar PID tutmaması gibi olumsuzluklarla  size döner. 

6 inch ler nispeten 5 inch gibi tolere etse de 7 ve üzeri frame lerde rezonans sonununun çözümlendiği farklı tasarımlar gerekir.  Bu konuda kötü örnek sadece kolları uzatılmış  i-flight XL7 ve benzeri  frame leridir. 

Mekanik Gürültünün diğer nedeni  motor ve pervanelerden kaynaklanan türbülans ve vibrasyonlardır.  

Öncelikle balanslı motor ve pervane  kullanımı, iyi rulmanlı  motor seçimi  ile bu sorun baştan bertaraf edilebilir. Yinede kullanım esnasında çarpma düşme nedeniyle meydana gelebilecek balans problemleri olacaktır.

 

Bunu istenmeyen etkiyi bertaraf etmek için mekanik ve yazılımsal izolasyon yapabiliriz.

Mekanik izolasyon motorlara  damper kullanımı ile olur.  Motorun altına yerleştirilen 3d tpu baskılar veya 3 kat elektirik bandı mekanik olarak izolasyon sağlayacaktır. 

Yazılımsal izolasyon Motor ve pervaneden kaynaklanan belirli frekanslardaki istenmeyen titreşimlerin yazılımsal olarak bertaraf edilmesi gyronun bu frekanslara hassasiyetinin azaltılması ile olur. Yazılımsal filtrelemenin bir dezavantajı gecikmedir. Ne kadar çok filtreleme olursa gecikme de o kadar fazla olacaktır.

Bu konuda inav betaflight gibi yazılım geliştiricileri 

Low Pass Filter,  

Notch Filter, 

Dynamic Filter, 

D-Term Filter

Rpm Filter 

gibi filtreleme yöntemleri geliştirmişlerdir. Bu filtreleri aktive ederek yazılımsal olarak gürültü  izolasyonu yapabiliriz. 

Low Pass Filter (Alçak Geçiş Filtresi)

Kullandığımız gyrolar 0-1000hz frekanslarındaki hareketleri algılama kapasitesinde üretilmektedirler ancak  PID kontrolü için işlemcinin bilmesi gereken dron hareketleri 0-30hz, pervane türbülansı 30-80 hz aralığındadır. Low Pass Filter (Alçak geçiş filtresi) ile aslında kullanmadığımız ama gürültüye neden olacak 80hz üzeri frekansları filtreleyebiliriz. Burada kullandığımız değer altındaki frekanslar olduğu gibi geçerken üzerindeki frekanslar yumuşatılarak gürültü etkisi azaltılmış olacaktır. Gürültü etkisi azaltmanın PT1 ve Biquad olmak üzere iki yöntemi olup PT1 daha az gecikme sağlayan düşük bir eğri ile, Biquad daha fazla gecikme sağlayan yüksek bir eğri ile daha güçlü bir filtremele sağlamaktadır. Daha güçlü bir filtreleme ihtiyacı var ise Biquad yoksa PT1 kullanımı uygun olacaktır. Low Pass Filter kullanımı gövdeden kaynaklanan rezonans problemlerinin çözümünde daha etkilidir.

Notch Filter (Çentik filtresi)

Bu filtreleme türünde belirli bir noktadan sonraki tüm frekansları filtrelemek yerine gürültünün en fazla olduğu bir frekanslardaki dar bölge filtrelenmektedir. Motor gürültüsünü azaltmak için Low Pass Filter den daha etkilidir. Gürültünün olduğu merkez frekansı (Blackbox dataları  üzerinden tespit edilebilir) ve band genişliği girilerek filtreleme yapılır. 

Dynamic Notch Filter (dinamik çentik filtresi)

Dinamik çentik filtrelemede motor gürültüsünün  hangi frekans da  en fazla olduğunu algılayan ve orası için çentik filtresi uygulayan  bir yapay zeka olduğunu  söyleyebiliriz.

Örneğin çarpma etkisi ile balansı bozulan bir pervane veya balansi bozuk bir motor için dinamik notch filter devreye girmektedir. 

Çentik filtrelemede filtrelenen frekans aralığı belirli dar bir bölge olması nedeniyle çok daha az gecikmeye neden olan çok daha etkin filtreleme yapılabilmektedir. 

Çentik  Filtre  kullanımı Motor pervane kaynaklı Noise problemlerinin çözümünde daha etkilidir.

D-Term Filter

PID algoritması içerisinde kullanılan D hesaplaması  gyro gürültüsüne maruz kalır ise gürültüyü de amplifiye ederek motorlarda aşırı ısınmaya ve hatta yanmaya neden olmaktadır. Bunu önlemek için  D term filtrelenmesi gerekmektedir. 

Eger fazla ısınan motorlarınız varsa 80-100hz aralığında Biquad D term filtreleme etkili olcaktır.

D-term fitre kullanımı Motor sısnması kaynaklı problemlerin çözümünde etkilidir

RPM Filter

RPM filtresi motor RPM ve harmoniklerini hedefleyerek motor gürültüsünü etkili bir şekilde azaltmak için tasarlanmış çentik filtresi kolleksiyonudur.  32 bit esc kullanımı veya özel esc yazılımı gerektirir. Diğer bazı filtrelere gereksinimi ortadan kaldıracağından istenmeyen gecikmelere engel olur. 

RPM filter yazılım kurulumu  ile ilgili detaylı yazıma buradan ulaşabilirsiniz.

Sonuç olarak filtreleme dronumuzdaki yapısal (frame yapısı motor pervane kalitesi) veya sonradan olabilecek (balans problemleri) ile ilgili sorunları gidermemize yardımcı olabilecek araçlardır. Ancak daha fazla filtre kullanımın daha sert daha az akıcı ve daha az performans olduğunu unutmayalım. 

Filtreler konusunda tüm dronlar için formülize edilmiş kesin değerler olmasını beklemek doğru bir yaklaşım olmayacağı gibi buradaki temel bilgiler ışığında kendi modelinize uygun ayarları tecrübe ederek uygulayabilirsiniz.