Barometrická altimetria

Prečo barometrická altimetria a kde zlyháva bez kompenzácie

Barometrický výškomer patrí medzi najenergeticky efektívne a rýchle snímače výšky pre drony. Tlak vzduchu klesá so stúpajúcou nadmorskou výškou, preto z merania statického tlaku vieme odvodiť výšku nad referenčnou hladinou. Problémom je, že tlak sa mení aj časom (počasie) a lokálne (teplotné gradienty, ohrev elektroniky, prúdenie od vrtúľ). Bez inteligentnej kompenzácie teploty a driftu sa baro výška dokáže rozísť o desiatky metrov v priebehu minút. Tento článok ponúka systémový návod, ako realizovať kompenzáciu v reálnom čase v praxi – od fyziky, cez umiestnenie snímača a filtráciu, po fúziu s IMU/GNSS a online odhad zaujatosti (biasu).

Fyzikálny základ: z tlaku na výšku

• Hypsometrická rovnica (ISA, troposféra): pri štandardnom teplotnom gradiente L ≈ 0,0065 K/m platí:
  h = (T₀/L) · [1 − (p/p₀)^R·L/g],
  kde R je plynová konštanta pre suchý vzduch a g tiažové zrýchlenie.
• Lokálna linearizácia: blízko pracovného bodu je Δh ≈ −(RT/g) · (Δp/p). Prakticky: pri hladine mora ~1 hPa ≈ 8–9 m, s rastúcou výškou klesá citlivosť (Pa/m).
• Teplota: výška závisí od teploty vzduchu v stĺpci, nie len od teploty čipu. Nesprávne teplotné predpoklady → systematická chyba.

Zdroj chýb: z čoho vzniká drift

• Počasie: barický trend (±2–3 hPa za niekoľko hodín) → desiatky metrov chyby bez re-referenčovania (QNH/QFE).
• Teplota snímača: samoohrievanie a ohrev od elektroniky mení offset tlaku aj jeho citlivosť (typicky desiatky Pa na 10 °C).
• Dynamický tlak a prúdenie: „prop wash“, bočný vietor, ventilácia trupu → lokálne podtlaky/nadtlaky.
• Vibrácie: mikromechanické šumy, akustické vplyvy vrtúľ → vysokofrekvenčný šum.
• IMU/GNSS chyby pri fúzii: ak sa baro „potiahne“ za driftujúcou vertikálnou rýchlosťou z IMU, vznikne pomalý posun.

Umiestnenie a mechanika: statický tlak bez rušenia

• Statický port: ak sa dá, používajte externý statický otvor/komoru s labyrintom a filtračnou membránou; vyhýbajte sa priamym líniám prúdenia od vrtúľ.
• Termálna izolácia: snímač oddeľte od teplých komponentov (regulátory, procesor) a tienením znižujte teplotné gradienty.
• Anti-vibrácie: mäkké uloženie PCB a krátke hadičky/komory znižujú akustické buzenie.
• Redundancia: dva rôzne baro snímače v inej pozícii (interný + externý) pomáhajú detegovať lokálne chyby.

Teplotná kompenzácia: od výrobných polynómov po online adaptáciu

• Výrobné koeficienty: moderné snímače majú interné kalibračné konštanty (offset, citlivosť). Použite ich, ale počítajte s reziduom.
• Vlastný model: v teplotnej komore namerajte p_mer vs. T pri referenčnom tlaku a fitnite polynóm 2.–3. rádu pre offset(T) a scale(T). Uložte koeficienty do FW.
• Online korekcia: počas letu sledujte pomalý drift δp(T,t) cez inovačnú sekvenciu EKF (baro – predikcia z IMU/GNSS) a adaptujte offset s dlhou časovou konštantou (napr. 100–300 s).
• Warm-up fáza: prvých 60–120 s po zapnutí je kritických. Aplikujte zvýšené filtrovanie a do not trust flag pre autopilota až do teplotnej stabilizácie.

Filtračný reťazec: od surového tlaku po „flight-grade“ výšku

1. Oversampling/decimácia: čítajte snímač rýchlo (100–200 Hz), spriemerujte na 50–100 Hz, znižujete kvantizačný šum.
2. IIR nízkopriepustný filter: α v rozsahu 0,05–0,2 podľa dynamiky platformy (prudké manévre vyžadujú vyššie pásmo).
3. Notch/median filter: potlačenie prop-harmonic špičiek (napr. 80–200 Hz) alebo median 3–5 vzoriek pre „spikes“.
4. Detektor prúdenia: ak je prítomný diferenciálny tlak alebo IMU vibrácie zvýšené, dočasne znížte dôveru baro merania (zvýšte R v EKF).

Fúzia senzorov: EKF/komplementárny prístup

• Krátkodobá stabilita: IMU (zvislé zrýchlenie integrované na rýchlosť/výšku) so silným vysokofrekvenčným pásmom.
• Strednodobá referencia: baro výška drží pomalé zmeny (sekundy až minúty), ale je náchylná na barické trendy.
• Dlhodobo: GNSS (geodetická výška) alebo radar/laser altimeter (nad zemou) slúžia ako „anchor“ proti barickému driftu.
• Odhad biasu: rozšírený KF nech obsahuje stav b_baro (zaujatosť). Jeho deriváciu viažte na nulovú priemernú vertikálnu rýchlosť cez časové okná (zero-mean constraint).
• Zero-velocity updates (ZUPT): pri stabilnom visení z Vision/IMU (vert. rýchlosť ~0) korigujte baro bias tak, aby ∂h/∂t → 0.

QNH, QFE a referencie v autonómii dronov

• QNH: tlak zredukovaný na hladinu mora → absolútna nadmorská výška. Vhodné pre konzistentnú geo-referenciu.
• QFE: tlak na mieste štartu → výška nad bodom T/O (h = 0 na štarte). Praktické pre bezpečnostné výšky v lokálnej misii.
• QNE (1013,25 hPa): štandardná referencia pre letové hladiny – menej bežná v nízkych UAS operáciách.
• Praxe: pri autonómii používajte QFE pre relative altitude a GNSS/DEM pre absolutistickú kontrolu nad terénom.

Reálne-časový manažment driftu: praktický algoritmus

1. Inicializácia: 10–20 s priemernie tlaku v pokoji, nastaviť p_ref a T_ref; ak dostupné QNH/QFE zo zeme, použiť.
2. Teplotná korekcia: aplikovať polynóm offset(T) a scale(T) na surové meranie.
3. Filtrácia: prehnať cez median (spike killer) → IIR LPF → downsample na 50 Hz.
4. EKF fúzia: stavy: h, v_z, b_baro. Merania: baro h, IMU a_z, GNSS h (nízka frekvencia), laser/radar h_AGL (ak je).
5. Adaptívny R: zvyšovať meraciu kovarianciu baro, ak RMS vibrácií IMU alebo Δp′ prekračujú prah.
6. Anchor aktualizácie: každé 30–120 s porovnať trend baro vs. GNSS/AGL; malú časovú konštantu priradiť db/dt pre vyrovnanie dlhodobého driftu.
7. ZUPT/hover: ak |v_z| < prah a držanie polohy je aktívne, ťahať b_baro k hodnote, ktorá nulová vertikálny drift.

Šum a stabilita: ako nastaviť časové konštanty

• Allanova analýza: odhadnite biely šum a bias instabilitu snímača. Podľa nej nastavte LPF a Q/R v EKF.
• Časová konštanta biasu: typicky 100–300 s (elektro drony), rýchlejšie pri výraznom teplotnom gradiente, pomalšie v stabilnej troposfére.
• Zisk pre GNSS anchor: malý (napr. 0,001–0,01 s⁻¹), aby krátke výkyvy GNSS neovládli baro.

Kompenzácia pri manévroch a vplyv dynamického tlaku

• Detekcia režimu: pri prudkých zmenách plynu alebo náklonu rastú chyby baro. V autopilotovi počas „aggressive“ flight módu znížte váhu baro.
• Model prop-wash: ak poznáte RPM/ťah, možno aditívne korigovať baro o funkciu f(RPM). Jednoduchšie je robustné filtrovanie + umiestnenie portu.

Fúzia s AGL (laser/radar) a DEM

• AGL senzor: výborný do ~30–50 m nad zemou; nad touto hranicou jeho šum/spotreba rastie – baro preberá rolu.
• Terrain following: kombinujte baro (absolútny trend) + AGL (relatívna referencia) + DEM (digitálny model reliéfu) pre bezpečné clearance nad terénom.

Redundancia a validácia merania

• Dual-baro voting: ak sa rozdiel > prah (napr. 1,5–2,5 hPa), flagujte fault a degradujte váhu problematického kanála.
• Reasonableness checks: odvodená vertikálna rýchlosť z baro by nemala dlhodobo odporovať IMU/GNSS (testy konzistencie v EKF).

Prevádzková prax: kalibrácia a misijné návyky

• Pred letom: reset QFE/QNH, krátke zahriatie (≥60 s), kontrola stability čítaní (σ < prah).
• Počas letu: ak je dostupný pozemný barograf alebo meteo stanica, prenášajte trend (telemetria) a aktualizujte referenciu dlhým filtrom.
• Po lete: porovnajte baro „h_landing“ s nulou; zaznamenajte bias drift na účely adaptácie koeficientov.

Bezpečnostné limity a fallbacky

• Geofence v Z: absolutistické max/min výšky viazané na GNSS a AGL, nie len baro.
• RTH profil: návratová trajektória nech používa výšku s „anchorom“ (GNSS/AGL) a konzervatívnu rezervu nad terénom.
• Degradované módy: pri baro fault prepnúť na GNSS+IMU s ohlásenou degradáciou výškovej presnosti.

Metodika testovania a validácie

1. Bench test: stabilný tlak (uzavretá komora), teplotný cyklus 0–50 °C, zmerajte offset(T) a hysterézu.
2. Prop-wash test: spustenie motorov na stojane, hodnotenie spektra rušenia a optimalizácia filtra/notch.
3. Field test – statika: dlhý hover (5–10 min) s AGL; sledujte drift baro po aplikácii ZUPT korekcií.
4. Field test – stúpanie/klesanie: kalibrujte oneskorenie a prílišnú filtráciu (phase lag) proti referencii (AGL/RTK).
5. Metoo test: paralelný záznam baro z dvoch dronov, rovnaký profil letu, porovnanie trendov a reakcie na front.

Implementačné tipy pre firmvér a autopilota

• Časové značky: všetky merania časujte na spoločnú časovú bázu; kompenzujte latency filtre (predikciou stavu).
• Stavový stroj dôvery: flagy warming, valid, degraded, fault; riadenie váh v EKF podľa stavu.
• Logovanie: ukladajte surový tlak, T, filtrovaný tlak, inováciu EKF, odhad biasu, váhy meraní; zjednodušuje ladenie.
• Konfigurovateľnosť: oddelené parametre pre LPF cut-off, zisk anchoru, prahy vibrácií, časové konštanty biasu podľa typu platformy (MR/FW/VTOL).

Čo očakávať: realistická presnosť po kompenzácii

• Krátkodobo (sekundy): šum ±0,1–0,3 m pri kvalitnom snímači a vhodnom LPF.
• Strednodobo (minúty): drift ≤ ±1–2 m pri stabilnom počasí s aktívnym bias trackingom.
• Dlhodobo (desiatky minút až hodiny): bez anchoru (GNSS/AGL/QNH) sa v barickej zmene môže objaviť chyba 10+ m; s anchorom udržíte < 3–5 m.

Kombinácia techniky a procesu

Barometrická altimetria je „ľahký“ snímač, no spoľahlivý je až vtedy, keď spojíte tri vrstvy: dobre umiestnený a teplotne kompenzovaný snímač, robustnú filtráciu a adaptívny odhad biasu a fúziu s IMU/GNSS/AGL s vhodnými váhami a bezpečnostnými fallbackmi. Takáto architektúra umožní dronu udržiavať stabilnú výšku, bezpečný clearance a presné profily letu aj v meniacich sa podmienkach – v reálnom čase a bez nepríjemných prekvapení.