Koesuunnitelma. Lennokin paikan määrittäminen kiihtyvyys datan avulla. Jani Mäkelä, Jussi Tamminen, Tuomas Keski-Heikkilä ja Markus Laitinen

Transkriptio

1 Koesuunnitelma Lennokin paikan määrittäminen kiihtyvyys datan avulla Jani Mäkelä, Jussi Tamminen, Tuomas Keski-Heikkilä ja Markus Laitinen Sisällysluettelo 1 Johdanto Tutkimusaiheeseen liittyvää teoriaa Koejärjestelyt Mittalaitteet Tiedonkeruulaitteet Koekappale Kuvat Kokoonpano Ympäristön vaatimukset Kuvaus kokeesta step-by-step Aikataulu Tiedonkäsittely Riskianalyysi Virhepohdinta Lähteet... 5

2 1 Johdanto Tämä on KON-C3004 -kurssin ryhmän 7 koesuunnitelma, jossa käsittelemme tutkimusaiheeseemme liittyvää teoriaa, koejärjestelyjä, tiedon käsittelyä, riskianalyysia ja koetuloksiin liittyviä mahdollisia virheitä. Tutkimuksen tarkoituksena on selvittää, onko miehittämättömän ilma-aluksen sijaintia mahdollista selvittää kaupallisilta kiihtyvyys- ja gyroskooppiantureilta saatua dataa hyödyntäen. Tämän ohella tarkoituksenamme on tutkia, millaisia kiihtyvyyksiä ja G-voimia koneen rakenteisiin kohdistuu eri lentotiloissa. Tutkimusta varten jouduttiin tekemään mittauslaitteistoon kohdistuvia investointeja. Mittauksiin käytettävä järjestelmä, esitelty kohdassa 3.1 Mittalaitteet, tilattiin englantilaisesta verkkokaupasta, ja ennen sen saapumista ja testaamista, ei suunniteltua koetta ole luonnollisesti mahdollista suorittaa. Sen sijaan tutkimukseen soveltuva miehittämätön ilma-alus löytyy jo ryhmän hallusta, 3.3 Koekappale. Harmiksemme mittauslaitteiston hankintaprosessi on ottanut oman aikansa, eikä sitä vielä suunnitelmaa kirjoitettaessa ollut käytettävissä. Näin ollen sen ominaisuudet ja mahdollisuudet eivät ole olleet tiedossa yksityiskohtaisella tasolla. Toisin sanoen toiveemme koneen paikan määrittämisen mahdollisuudesta selvinnee seuraavien päivien/viikkojen aikana, kun mittauslaitteisto saapuu ja pääsemme näkemään, minkälaista tämän keräämä data on, ja kuinka helppoa sitä on käsitellä käyttämällä laskentaohjelmia, esim. Matlabia. Tutkimusidean taustalla on ryhmän jäsenten yhteinen kiinnostus ilmailuun. Tämän, ja sen faktan, että oikean lentokoneen hyödyntäminen tutkimuksessa on poissuljettua, ei aihealueen valinnan suhteen ollut mitään epäselvyyksiä. Kiihtyvyysanturien hyödyntämisestä kiinnostuimme kurssin luennolla, jolla aihealuetta käsiteltiin. Lisäksi kolmella ryhmän neljästä jäsenestä on taustaa ilmavoimissa, jossa opimme, että vastaavaa järjestelmää (INS, esitellään teoriaosuudessa) hyödynnetään lentokoneen paikanmäärityksessä ilman GPS-järjestelmää. 2 Tutkimusaiheeseen liittyvää teoriaa Nopeus voidaan laskea kiihtyvyydestä integraalin avulla ja paikka saadaan kiihtyvyyden toisena integraalina. Tiedonkeruulaitteella kerätään digitaalinen signaali, jota kannattaa suodattaa siistimmän signaalin saamiseksi. Suodatus voidaan lisäksi suorittaa ensimmäisen ja toisen integroinnin välissä. Oikean suodattimen valintaan vaikuttaa olennaisesti Fourier-analyysi, jonka avulla voidaan tunnistaa millä taajuuksilla mittausdata oleilee. Muut taajuudet voidaan suodattaa tämän jälkeen pois kaistanpäästösuotimen avulla. Rakenteisiin kohdistuvat G-voimat puolestaan voidaan laskea kiihtyvyyksien avulla yksinkertaisesti jakamalla saadut arvot putoamiskiihtyvyydellä, 9.82m/s^2. [MAOL taulukot] G-voimista puheenollen, nykyaikaiset lentokoneet jaetaan kuormituskertoimiensa mukaan kolmeen luokkaan: Normaalit, rajoitettu taitolento ja taitolento. Parhaimmillaan g-voimat tämän päivän hävittäjissä tiukoissa kaarroksissa ovat n. 9 tuntumassa. Sen sijaan Red Bull Air Race sarjassa kilpaileviin koneisiin saattaa hetkellisesti kohdistua jopa 14g:n suuruisia rasituksia. Olisi joka tapauksessa erittäin mielenkiintoista selvittää, millaisia g-voimia käytettävissä olevaan lennokkiin kohdistuu esimerkiksi tiukassa silmukassa. [Esko Lähteenmäki, Lentokonerakenteet ja -järjestelmät, 1986]

3 Mikäli onnistumme määrittämään paikan käytettävissä olevien antureiden avulla, olisi sen tarkkuutta mielenkiintoista verrata esimerkiksi oikeissa lentokoneissa, erityisesti sotilasilmailussa, käytettävään INS-järjestelmään (Inertial Navigation System). Kyseisessä järjestelmässä lentokoneen navigointitietokone mittaa lentokoneen kiihtyvyyksiä erilaisten kiihtyvyysanturien ja laserhyrrien avulla saadun tiedon avulla. Saatu data muutetaan automaattisesti nopeudeksi ja edelleen matkaksi. Kun lähtöpiste on tiedossa, voidaan tunnin kestävä lento simuloida kerätyn datan avulla noin yhden mailin tarkkuudella. INS-järjestelmän etuja ovat tuulen vaikutuksen huomioimisen mahdollisuus ja sen riippumattomuus GPS-järjestelmästä. [Tapani Vänttinen, Lentäjän mittarioppi, Painatuskeskus Oy 1994], [Ilmavoimat, Amek-koulutusmateriaali] 3 Koejärjestelyt 3.1 Mittalaitteet Mittalaitteena käytetään Eagle Tree:n valmistamaa kiihtyvyys- ja gyroskooppianturia. [Mitta/tiedonkeruulaite] 3.2 Tiedonkeruulaitteet Tiedonkeruulaitteena käytämme Eagle Tree:n valmistamaa Vector Flight Controlleria, jossa on sisäänrakennettu mittausdatan tallennin. Näytteenottotaajuus tiedonkeruulaitteessa on 10Hz. [Mitta/tiedonkeruulaite] 3.3 Koekappale Koekappaleena käytetään radio-ohjattavaa miehittämätöntä ilma-alusta. Koekappaleen siipien kärkivälin on noin 122cm. [Koekappale] 3.4 Kuvat Lisätään, kun mittauskalusto on ryhmän hallussa. 3.5 Kokoonpano Mittalaite kiinnitetään koneen runkoon mahdollisimman tukevasti siten, että mittauslaite liikkuisi mahdollisimman tarkasti koneen liikkeiden mukana ilman ylimääräistä värinää. Mittalaitteen kiinnityksellä on suuri merkitys mittausdatassa esiintyvän kohinan minimoinnissa. Mittalaite on myös kiinnitettävä siten, että se vaikuttaisi lennokin lento-ominaisuuksiin mahdollisimman vähän. Laite olisi siis kiinnitettävä mahdollisimman lähelle koneen painopistettä. 3.6 Ympäristön vaatimukset Ympäristönä käytetään todennäköisesti yhtä keskisuurta kiviplaneettaa, jossa on kaasukehä. Todennäköisesti helpoimmin saavutettavissa oleva planeetta olisi Tellus. Plateenan pinnalta valitaan sopiva kohde, missä on hyvin tilaa lennättää lennokkia ilman vaaraa osua mihinkään. Myös lennätys päivän valintaan on syytä kiinnittää huomiota, onkin tarpeen valita mahdollisimman tyyni päivä.

4 Resurssien puutteen vuoksi joudumme kuitenkin tyytymään maa-planeettaan. Sopivaa paikkaakaan ei tarvitse kaukaa Otaniemen ulkopuolelta etsiä. Otaniemessä sijaitseva urheilukenttä on ihan hyvä vaihtoehto, mutta ehkä aavistuksen liian pieni mittauksiamme varten. Kokeissa käytettävä lennokki vaatii hieman. Otaniemen vieressä oleva puistoalue soveltuu tähän huomattavasti paremmin. 3.7 Kuvaus kokeesta step-by-step 1. Käynnistetään mittalaitteet ja tiedonkeräin. 2. Lennokin käynnistys ja lentoonlähtö tarkistus. 3. Lentoonlähtö 4. Lennetään mahdollisimman tasainen tai tiettyjä liikkeitä sisältävä lento (riippuu tutkimusaiheen tarkasta määrittelystä) 5. Laskeutuminen ja lennokin sammuttaminen 6. Kerätään mittausdata 7. Toistetaan mittaus N kertaa 8. Korkataan muutama olut onnistuneen mittauksen kunniaksi 9. Mittausdatan analysointi 3.8 Aikataulu viikko DL Koesuunnitelma Päivitetty koesuunnitelma 45 Mittauslaitteiston kokoaminen 46 Mittauslaitteiston kokoaminen 47 Mittausten suorittaminen, tulosten analysointi Tulosten esittely, loppuraportin kirjoittaminen 49 Loppuraportin kirjoittaminen Loppuraportin palautus 4 Tiedonkäsittely Kerätyt tiedot käsitellään käyttäen Matlab-ohjelmistoa ja yleistä harkintakykyä. Tietoja pyritään käsittelemään siten, että voidaan määrittää lennokkiin kohdistuvat kiihtyvyydet erilaisissa lentotiloissa ja siten päättelemään lennokkiin vaikuttavat voimat. Kunnianhimoisempana tavoitteena on kyetä määrittämään lennokin sijainti yhdistämällä gyroskoopin tietoja lineaarikiihtyvyyksiin. Tätä varten meidän on kyettävä ensin määrittämään koneen asento gyroskoopin perusteella ja sen jälkeen laskettava koneen koordinaatiston liike jokaisena ajanhetkenä.

5 5 Riskianalyysi Lennokin kanssa on erityisesti kiinnitettävä huomiota siihen, että kukaan ei olennaisesti työnnä sormiaan pyörivään potkuriin. Myös lennokin lentorataa on syytä kontrolloida tarkasti, jotta vältytään osumasta henkilöihin tai johonkin muuhun arvokkaaseen. Näin vältytään myös rikkomasta kallista lennokkia ja mittalaitteita. Lennokin lennättäjän on siis oltava hyvin harjaantunut käsittelemään kyseistä ilma-alusta. Myös lennokin lentokorkeuteen on kiinnitettävä huomiota, jottei se vahingossakaan joudu valvottuun ilmatilaan, joka sijaitsee noin 150m maanpinnan yläpuolella kaavoitetulla alueella. 6 Virhepohdinta Anturiin syntyy väistämättä jonkin verran ylimääräisiä kiihtyvyyksiä lennokkiin verrattuna, sillä sitä ei saada täysin kiinteästi kiinni. Virhettä pyrimme kuitenkin minimoimaan kiinnittämällä erityisesti huomiota mittauslaitteen kiinnittämiseen. Koitamme myös suodattaa mittausdataa tietyillä suodattamilla, jotta mittaus datasta saadaan poistettua kohina. 7 Lähteet [Tapani Vänttinen, Lentäjän mittarioppi, Painatuskeskus Oy 1994] [Ilmavoimat, Amek-koulutusmateriaali] [Esko Lähteenmäki, Lentokonerakenteet ja -järjestelmät, 1986] [koekappale] [Mitta/tiedonkeruulaite] [MAOL talukot]