2015/12/06

nRF24AP2による市販ANT+デバイスデータの読み込み

Team 'F'の世界記録挑戦用の機体Nextz Avantがロールアウトし、試験飛行が始まりました。

試験飛行再開は春先からになりますが、それまでにパイロットの要望でパワーメータを増設予定です。
増設するパワーメータは市販のもので、通信にはANT+規格を利用します。
そこで、データロガーHPA_Navi IIにANT+通信機能を増設すべく、市販のANT+デバイスとのシリアル通信の実験を行いました。

ANT+デバイスとの通信には自前の回路を利用することもできますが技適が必要なのでnRF24AP2を搭載した市販のモジュールBeatcraft BC-ANT-SERIAL-2を利用しました
また、ANT+デバイスとしてはスピード/ケイデンスセンサのCATEYE ICS-11を使いました。
実験風景。左側がUSBシリアル変換器、右側がANT+シリアルモジュール、手前がスピード/ケイデンスセンサ
実験はANT+テスト用ソフトウエアANTware IIを用いて行いました。
PCとはFT232Hモジュールを介して接続しましたが、正しく認識されるようです。

ANT+をマイコンから使うための情報はあまりweb上にはないようなのですが、Beatcraft ANT+デバイスの基礎が大変参考になりました。
ここで概要をつかんだ後公式ページに登録後利用できるドキュメントANT Message Protocol and Usageを読むのがよいように思います

市販のデバイスを使う際には、利用周波数の設定などを行う際にデバイスプロファイル情報が必須になります。
これも公式のドキュメントANT+ DEVICE PROFILESが整備されていますので、それをよく読んで設定します。

また、市販のデバイスを利用する際には、ネットワークの種類をManaged Networkに変更しなくてはなりません。
これには8ビットのネットワークキーが必要ですが、それもANT+公式サイトで公開されていますので、それを利用します。
ANTware IIでは下図の左側にある通り通信モジュールのオプションとして設定できます

これらの設定を行い、スピード/ケイデンスセンサから出力されるデータをシリアル通信で受信した様子が下図になります。

スピード/ケイデンスセンサとの通信の様子
ここまででANT+モジュールに流し込むべきコマンドが明らかになったので、残りはHPA_Navi IIに実装する作業だけです。
ANTware IIでは、通信のログをLog Filesメニューから参照できるので、その通りコマンドを実装します。
チェックサム等を含むANT+パケットの生成はBearcraftで公開しているライブラリを利用して行います。
ライブラリはLPC1114/PIC24F用に書かれていますが、マイコンに依存する部分はシリアル通信部のみなので、移植は容易だと思います。

パワーメータのプロファイルにはキャリブレーションコマンド等が含まれていて、スピード/ケイデンスセンサほど単純ではありませんが、春までには実用可能な形で実装を行うつもりです。

2015/05/01

JAXA小型低乱風洞によるエアデータセンサの校正2

前回の続きです。

今回は風車式対気速度計の校正についてです。
の2種類の対気速度計について試験を行いました。

Copalのセンサの結果を下の図に示します。
センサが出力するパルス数の対気速度依存

以前の実験と同じように、対気速度に対する線形性が確認できます。
以前の実験では、室温が低かったため対気速度を十分に上げて軸受けの摩擦により潤滑油の温度を上げてやらないと線形性が出ませんでしたが、今回は気温が高かったためかそのような挙動は見られませんでした。
この結果からパルス数を対気速度に変換する校正係数を求めると、
傾き: 4.5x10^-4 (count/(m/s))
切片: 0.97 (m/s)
となります。
比例係数の部分は以前行った実験の90%程度の値です。
以前の実験では2台の対気速度計の校正係数を求めましたが、そのばらつき(6%)より大きな差が見られます。

次にDigifly製の対気速度計の結果を示します。
上図: センサが出力するパルス数とDigiflyのフライトレコーダ表示の関係
下図: センサが出力するパルス数の対気速度依存
Digifly製の風車式対気速度計でも、対気速度に対する線形性が確認できます。
また、フライトレコーダ本体に表示される対気速度に対しても線形性があるようです。
しかしながら、同じセンサ出力に対して風洞備え付けのピトー管とDigiflyのフライトレコーダでは異なる対気速度を示しています。
その関係を下図に示します。
風洞備え付けのピトー管で測定した対気速度とDigifly製フライトレコーダ表示の関係
風洞備え付けのピトー管による測定結果のほうが10%程度小さな対気速度を示しています。
この傾向はCopalのセンサで得られた結果と矛盾はしませんので、何らかの原因で風洞備え付けのピトー管が小さめの値を出している可能性も考えられます。
この点については、5孔ピトー管の実験結果とも突き合わせて改めて考察したいと思います。

次回はピトー管の校正について書く予定です。

2015/04/29

JAXA小型低乱風洞によるエアデータセンサの校正1

有限会社オリンポスさんの協力のもと、JAXA小型低乱風洞でエアデータセンサの校正を行いました。

校正作業を行ったのは、
の3つのセンサです。
試験は風車式2台とピトー管の2回に分けて行いました。
データが多く、記事が長くなりそうなので何度かに分けてまとめます。

まずは測定に使用した機器や風洞の特性についてです。

試験では、風洞備え付けのピトー管につながる圧力センサ出力をHPA_Navi IIのアナログ入力に接続することで、風洞の流速に対応する差圧を25 Hzの時系列データとして取得しました。
下の2つの図に測定結果を示します。
風車式対気速度計の測定を行った際の流速の時間変化。上の図にある流速ごとの電圧の値は平均値と標準偏差。下の図は時系列データをフーリエ変換して周波数の関数として示したもの
ピトー管の測定を行った際の流速の時間変化。上の図にある流速ごとの電圧の値は平均値と標準偏差。下の図は時系列データをフーリエ変換して周波数の関数として示したもの
風洞の流速によってゆらぎの大きさが異なることがわかります。
特に10から15 m/sではゆらぎが大きく、その周波数は10.5 Hz程度です。
このことから、特に測定値の安定しない10から15 m/s付近では測定中にデータを1点取るだけでは正確な値が取得できず、ある程度長い時間測定を行ってその平均値を取得しないと正しい測定値が得られないことがわかります。

風洞備え付けのピトー管の差圧指示値とHPA_Navi IIで取得した時系列データの平均値を比較したものが下のグラフです。
備え付けの圧力計の指示値とHPA_Navi IIによる測定値の関係。凡例にはフィッテイングにより求めた傾き、切片およびそれらの95 %信頼区間の幅を示した。下の図は両者の差分を圧力計の指示値の関数としてプロットしたもの
フィッティングから求めた傾き、切片とそれら95 %信頼区間の幅から、
  • HPA_Navi IIの出力には一定のオフセットがある
  • オフセットを除いてはHPA_Navi IIは正しい値を出力している
ことがわかります。
今後の測定ではこのオフセットの値を測定値から差し引いて流速を求めます。

風洞備え付けのピトー管で測定した差圧から流速を求めるには空気密度の値が必要ですが、大気に含まれる水蒸気の量は無視し大気圧と温度の測定値から計算で求めました。
ここで使う大気圧や温度には風洞室備え付けのマノメータや温度計から読み取った値を用いました。
測定中の大気圧や温度は時間変化しますが、その様子はHPA_Navi IIのオンボード気圧計・温度計の値からどの程度の変化であったかを推測し、その影響を評価しています。

以上により風洞のおおまかな特性とデータ解析時の注意点がわかりました。
次回の記事では風車式対気速度計の校正結果についてまとめる予定です。