¿Realmente necesito un giroscopio para un sistema de estabilización de vuelo de avión?

Estoy trabajando en un sistema básico de estabilización de vuelo del avión, como el precursor de un sistema de piloto automático completo. Estoy usando un Wii Motion Plus y Nunchuk rescatados para crear una IMU 6DOF. El primer objetivo es mantener las alas niveladas, luego mezclar los comandos de los usuarios. ¿Estoy en lo cierto al decir que esto no requeriría un giroscopio, solo un acelerómetro de 3 (2?) Ejes, para detectar cabeceo y balanceo, luego ajustar los alerones y el elevador para compensar?

En segundo lugar, si ampliamos mi objetivo de diseño de "mantener las alas niveladas" a "volar en línea recta" (obviamente, dos cosas diferentes, dado el viento y la turbulencia), ¿el giroscopio se vuelve necesario, en la medida en que esto se puede lograr sin la guía del GPS? ?

Intenté integrar los valores del giroscopio para obtener un balanceo, inclinación y guiñada de eso, sin embargo (como lo demuestra esta pregunta), estoy en un nivel de conocimiento sobre el tema en el que preferiría matemáticas más simples en mi código . ¡Gracias por cualquier ayuda!

¿Estoy en lo cierto al decir que esto no requeriría un giroscopio, solo un acelerómetro de 3 (2?) Ejes, para detectar cabeceo y balanceo, luego ajustar los alerones y el elevador para compensar?

No. Lo contrario es cierto. El acelerómetro será casi inútil para detectar rotaciones en una plataforma que experimenta aceleraciones desconocidas. Su avión estará sujeto a dos vectores de fuerza: gravedad y elevación + arrastre. Levantar + arrastrar variará enormemente en función de la inclinación del avión.

Pero aquí hay una forma más general de saber que esto es imposible, y puede usar este método en muchos otros casos además de las IMU. Un sensor, o conjunto de sensores, le da N valores. No puede interpretar esto en un espacio con más de N dimensiones.

Un ejemplo trivial: desea que un sensor mida la posición de alguien dentro de una habitación. ¿Sería suficiente un solo telémetro ultrasónico? No. Una posición en una habitación requiere dos valores, coordenadas (X, Y). Pero un sensor ultrasónico le da solo un valor, una longitud. No hay forma de configurar este sensor para resolver su problema. Pero si tuviera dos sensores, entonces podría ser posible.

Ahora echemos un vistazo al avión. Un plano no acelerado está sujeto a una sola fuerza, la gravedad. La dirección de la gravedad en relación con el plano es un vector 3D, pero afortunadamente (si estás en la Tierra) sabes su magnitud. Ese es 1 valor, dejando 2 incógnitas, por lo que teóricamente podrías salirte con un acelerómetro de 2 ejes para inventar esas 2 incógnitas y calcular el vector de gravedad.

¿Qué pasa con un avión en vuelo? La gravedad y la elevación + arrastre son ambos vectores 3D, que le dan 6 números. OK, sabes la magnitud de la gravedad, entonces 5 números. Necesitará algún tipo de sensor que le proporcione al menos 5 valores. Por lo tanto, un acelerómetro de 3 ejes no puede ser suficiente.

Si bien ni un giroscopio de 3 ejes ni un acelerómetro de 3 ejes serán suficientes por sí solos, el giroscopio sería mucho más útil. Esto se debe a que mide directamente las rotaciones, que es lo que estás tratando de controlar.

Del mismo modo, el acelerómetro será más útil para detectar y corregir desviaciones del recorrido en línea recta.

Como el nombre del acelerómetro implica, usted mide la aceleración en su sistema excluyendo eso de la fuerza gravitacional. Cuando su sensor está en reposo, mide la aceleración a partir de la fuerza que utiliza para contrarrestar la fuerza gravitacional. Así es como puede arreglar su orientación frente al vector de gravedad. Cuando el sensor se acelera, como sería el caso cuando se aplican otras fuerzas externas (como, por ejemplo, el viento), se mezcla con las fuerzas que contrarrestan la gravedad, y ya no puede identificar de forma única el vector de gravedad. Cuando se promedia con el tiempo, puede suavizar los componentes de aceleración dinámica, y esto es, por ejemplo, lo que se usa en un AHRS para compensar la deriva del giroscopio.

Efectivamente, no puede diferenciar entre una nave nivelada que es acelerada por una ráfaga de viento y una nave que está inclinada, pero por lo demás no está acelerada.