Eu realmente preciso de um giroscópio para um sistema de estabilização de vôo de avião?

Estou trabalhando em um sistema básico de estabilização de voo de avião, como precursor de um sistema de piloto automático completo. Estou usando um Wii Motion Plus e Nunchuk recuperados para criar uma IMU de 6DOF. O primeiro objetivo é manter as asas niveladas e misturar os comandos do usuário. Estou correto ao dizer que isso não exigiria um giroscópio, apenas um acelerômetro de 3 (2?) Eixos, para detectar pitch and roll, depois ajuste os ailerons e o elevador para compensar?

Em segundo lugar, se estendermos meu objetivo de design de "manter as asas niveladas" para "voar em linha reta" (obviamente duas coisas diferentes, devido ao vento e à turbulência), o giroscópio se torna necessário, na medida em que isso pode ser alcançado sem a orientação do GPS ?

Eu tentei integrar sobre os valores do giroscópio para obter roll, pitch e yaw a partir disso, no entanto (como evidenciado por esta pergunta), eu estou em um nível de conhecimento sobre o tópico em que eu preferiria matemática mais simples no meu código . Obrigado por qualquer ajuda!

Estou correto ao dizer que isso não exigiria um giroscópio, apenas um acelerômetro de 3 (2?) Eixos, para detectar pitch and roll, depois ajuste os ailerons e o elevador para compensar?

Não. O oposto é verdadeiro. O acelerômetro será quase inútil para detectar rotações em uma plataforma que está passando por acelerações desconhecidas. Seu avião estará sujeito a dois vetores de força: gravidade e sustentação + arrasto. A função Lift + Drag varia enormemente em função da inclinação do avião.

Mas aqui está uma maneira mais geral de você saber que isso é impossível, e você pode usar esse método em muitos outros casos além de IMUs. Um sensor ou conjunto de sensores fornece valores de N. Você não pode interpretar isso em um espaço com mais de N dimensões.

Um exemplo trivial: você deseja que um sensor meça a posição de alguém dentro de uma sala. Um único telêmetro ultrassônico seria suficiente? Não. Uma posição em uma sala requer dois valores, (X, Y), coordenadas. Mas um sensor ultrassônico fornece apenas um valor, um comprimento. Não há como configurar esse sensor para resolver seu problema. Mas se você tivesse dois sensores, talvez seja possível.

Agora vamos olhar para o avião. Um plano não acelerador está sujeito a apenas uma força, a gravidade. A direção da gravidade em relação ao plano é um vetor 3D, mas, felizmente (se você estiver na Terra), sabe a sua magnitude. Isso é 1 valor, deixando 2 incógnitas, para que você possa, teoricamente, usar um acelerômetro de 2 eixos para compensar essas 2 incógnitas e calcular o vetor de gravidade.

Que tal um avião em vôo. Gravity e lift + drag são vetores 3D, fornecendo 6 números. OK, você sabe a magnitude da gravidade, então 5 números. Você precisará de algum tipo de sensor que ofereça pelo menos 5 valores. Portanto, um acelerômetro de 3 eixos não pode ser suficiente.

Embora nem um giroscópio de 3 eixos nem um acelerômetro de 3 eixos sejam suficientes por si só, o giroscópio seria muito mais útil. Isso ocorre porque mede diretamente as rotações, que é exatamente o que você está tentando controlar.

Da mesma forma, o acelerômetro será mais útil para detectar e corrigir desvios do deslocamento em linha reta.

Como o nome do acelerômetro implica, você mede a aceleração em seu sistema, excluindo-a da força gravitacional. Quando seu sensor está em repouso, você mede a aceleração da força que usa para neutralizar a força gravitacional. É assim que você pode corrigir sua orientação versus o vetor de gravidade. Quando o sensor é acelerado, como seria o caso quando outras forças externas (como, por exemplo, o vento) são aplicadas, ele se mistura com as forças que neutralizam a gravidade, e você não pode mais identificar exclusivamente o vetor de gravidade. Quando a média é calculada ao longo do tempo, você pode suavizar os componentes da aceleração dinâmica, e é por exemplo o que é usado em um AHRS para compensar a deriva do giroscópio.

Efetivamente, você não pode diferenciar entre uma embarcação nivelada que é acelerada por uma rajada de vento e uma embarcação inclinada, mas não acelerada.