三軸陀螺儀下的飛行器自動飛行控制

何巧云

摘要 設(shè)計中的四旋翼飛行器，通過測量，得出其飛行中的一些姿態(tài)數(shù)據(jù)信息。預(yù)測角速率，實(shí)施更新，把相關(guān)數(shù)據(jù)作為觀測更新，獲得比較精確的姿態(tài)角度信息。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)飛行控制的目的，后續(xù)應(yīng)用前景較好。

【關(guān)鍵詞】三軸陀螺儀 飛行器 自動飛行

四軸飛行器屬于直升機(jī)范疇，擁有4個對稱旋翼。傳感器技術(shù)逐步完善，特別微電子及微機(jī)械技術(shù)不斷優(yōu)化，最終使四軸飛行器達(dá)到自主飛行控制的效果。四軸飛行器飛行性能可靠可多角度角度靈活移動，為消除外力影響，前方馬達(dá)轉(zhuǎn)速較快，進(jìn)而確保水平，相同的是，其余幾個方向受外力作用時，四軸也能借助此種動作來維持水平。如果需對四軸向前飛實(shí)施控制，前方馬達(dá)速度變得越來越慢，后方馬達(dá)則則相反，如此四軸傾向前方，同樣會向前方飛行。其余飛姿態(tài)也能達(dá)到相同的效果。

1 總體設(shè)計思路

主控芯片利用12C總線對MPU6050的數(shù)據(jù)和HMC5883L的數(shù)據(jù)實(shí)施讀取，在互補(bǔ)濾波融合算法協(xié)助下實(shí)施解算，最終將載體的橫滾角、俯仰角、偏航角給求解出來。科學(xué)定義通信格式，在串行接口協(xié)助下，將協(xié)議數(shù)據(jù)單元的數(shù)據(jù)幀形式發(fā)送到姿態(tài)控制單元。

傳感器的量程及更新速率組成了傳感器的初始化。濾波相關(guān)矩陣的初始化，以傳感器特征為依據(jù)，構(gòu)建四維對角方陣，過程激勵噪聲協(xié)方差矩陣、對角元素分別表示為O、O.l。如果順利讀取陀螺儀數(shù)據(jù)，使濾波時間處在更新當(dāng)中。整理加速度傳感器及磁阻傳感器的數(shù)據(jù)，如果能夠順利讀取，那么便能觀測更新。磁場觀測更新算法、加速度觀測更新的不同之處在于觀測方差的尺，結(jié)合上述傳感器的置信度來設(shè)立匹配的數(shù)值。

2 MPU6050軟件的設(shè)計

首先，初始化配置MPU6050。全球首例整合性6軸運(yùn)動處理組件MPU6050陀螺儀數(shù)據(jù)的得到：集成電路芯片單片機(jī)在兩根線來通訊，的12C串口配合下，發(fā)送器件地址，記下需要發(fā)送信號，接著獲得所需讀取的中央處理器內(nèi)中寄存器地址，先找到發(fā)送器件地址，令集成電路芯片單片機(jī)讀信號，應(yīng)答，以依照地址順序?yàn)閰⒄?，按照從低至高進(jìn)行讀取。

3 HMC5883L軟件的設(shè)計

初始化配置電子羅盤HMC5883L的，先讓球首例整合性6軸運(yùn)動處理組件MPU6050的MasterIIC模式實(shí)施失能，然后開始打開電子羅盤（數(shù)字羅盤），打開旁路模式（略過模式）ByPass Mode，讀取電子羅盤（數(shù)字羅盤），這時輸出采樣頻率（采樣速度或者采樣率）75Hz，然后假定在電磁學(xué)里高斯磁定律中磁場增益當(dāng)前處于最高水平，接著一直測量，得到數(shù)據(jù)。

磁場計HMC5883L磁力計的校準(zhǔn)一直讀取數(shù)值，接著將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化呈另外一種形式，于HMC5883結(jié)構(gòu)體當(dāng)中保存起來。準(zhǔn)確讀取實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的信號，先進(jìn)行準(zhǔn)備，然后再讀取，得到發(fā)送器件地址及寫信號，接著查找到待讀的高速存貯部件寄存器地址，接著找到發(fā)送器件地址與讀信號，讀取數(shù)據(jù)，應(yīng)答與否，接著對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，需要注意一點(diǎn)，各軸順序要先后一致。

4 濾波的設(shè)計

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不依靠外部信息、不向外部輻射能量由于各傳感器的性能、精度不同。為此，用各傳感器測量相同的數(shù)值，且能得到接近的結(jié)果。濾波的使用用以處置存在誤差的實(shí)際測量數(shù)據(jù)，將信號內(nèi)部多余干擾給濾掉，使噪聲干擾下的實(shí)際的信息流恢復(fù)最佳狀態(tài)。

因?yàn)榇_定信號的頻譜特性比較明確，參照不同信號各頻段，設(shè)置低通濾波器與帶阻濾波器等合理的頻率特性的濾波器，因此達(dá)到無衰減通過有用信號的目的，但阻滯了干擾信號。

通過一些物理手段使濾波方法成為可能。當(dāng)前經(jīng)常使用的濾波器中有限沖擊響應(yīng)濾波器，僅有有限個非零樣值的一種濾波器，無限沖擊的響應(yīng)濾波器的單位沖擊響應(yīng)無限長?？柭鼮V波運(yùn)用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，利用系統(tǒng)輸入及輸出，來對數(shù)據(jù)實(shí)施觀察，最佳評估系統(tǒng)狀態(tài)?？柭鼮V波器設(shè)計在具體應(yīng)用中非常順利。

5 姿態(tài)測量的執(zhí)行與結(jié)果

5.1 陀螺儀與加速度傳感器的安裝

因?yàn)橄到y(tǒng)需要測算出不同坐標(biāo)軸中單位時間內(nèi)所走的弧度、加速度，所以，系統(tǒng)將會獲得陀螺儀（角運(yùn)動檢測裝置）各軸的數(shù)據(jù)，同時還要具備加速度測量模塊。陀螺儀（角運(yùn)動檢測裝置）以旋轉(zhuǎn)軸為參照進(jìn)行安裝，其敏感軸與x軸、y軸、z軸是相對應(yīng)的。對加速度傳感器而言，最好將其放置于系統(tǒng)重心，避免機(jī)體旋轉(zhuǎn)而出現(xiàn)加速度測量差錯，保證數(shù)據(jù)融合的順利進(jìn)行。

電子羅盤非常重要的兩個功能分別是作為AHRS系統(tǒng)的一部分、地磁場長期較為穩(wěn)定的特點(diǎn)。前者經(jīng)過測量，確定地磁北極，明確四旋翼飛行方向;后者通過濾波方法彌補(bǔ)角速率測量誤差。以測量維度為依據(jù)，電子羅盤具有高速高精度A/D轉(zhuǎn)換與零點(diǎn)修正等的特點(diǎn)，被劃分為平面電子羅盤、三維電子羅盤。前者需要用戶在使用過程中維持羅盤的水平，不然不易測量的輸出，但四旋翼系統(tǒng)姿態(tài)解算矯正的使用會產(chǎn)生較大處理器開銷，不能及時實(shí)施控制，不宜用于系統(tǒng)設(shè)計中。三維電子羅盤中設(shè)置了傾角傳感器，避免羅盤傾斜的不足，保證輸出航向數(shù)據(jù)的正確，為此，三維電子羅盤的選取一定好合適，更容易測出不同軸向的磁場性質(zhì)，兩軸加速度傳感器，測量加速度，用作傾角模塊補(bǔ)償。

5.2 姿態(tài)測量的結(jié)果

由于實(shí)驗(yàn)條件的禁止，無法及時審核姿態(tài)，為此，僅設(shè)計了代碼檢查、靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析、代碼質(zhì)量度量等的實(shí)驗(yàn)，先將姿態(tài)測量模塊置于水平平臺輸尿管，使飛行器各地理坐標(biāo)系保持一樣，接著為模塊通電，同時將程序下載下來，對俯仰角及偏航角等進(jìn)行檢查。實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)隨姿態(tài)變化而發(fā)生改變，如果姿態(tài)發(fā)生變化，實(shí)測結(jié)果與預(yù)期角度變化是相符的。

6 結(jié)束語

從本次設(shè)計的四旋翼飛行器姿態(tài)測量模塊實(shí)際工作情況來看，效果較好。該次研究成果在于，四旋翼飛行器的運(yùn)動特點(diǎn)，先進(jìn)行角速度積分接著獲得姿態(tài)變化，經(jīng)過測量，得出估計姿態(tài)，通過互補(bǔ)濾波算法來組合兩個姿態(tài)，獲得最終的姿態(tài)。研究中的飛行器姿態(tài)測量平臺，以其余姿態(tài)測量方案為依據(jù)結(jié)束了器件選型的工作，模塊化設(shè)計的使用，把握了不同模塊的硬件電路設(shè)計，編程發(fā)揮模塊的作用，同時開展了測試驗(yàn)證，從測量反饋效果來看，系統(tǒng)的所有模塊處于良好的工作狀態(tài)當(dāng)中，算法無誤、可靠。

參考文獻(xiàn)

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