電子陀螺儀在多旋翼無人機(jī)中的應(yīng)用

毛新如

摘 要：多旋翼無人機(jī)在地質(zhì)測繪、攝影及航拍和高精度的空中執(zhí)行特殊任務(wù)中起到至關(guān)重要的作用，如何使多旋翼無人機(jī)在空中飛行姿態(tài)更穩(wěn)定。電子陀螺儀在多旋翼無人機(jī)的飛行姿態(tài)的控制上起到重要的作用。本文主要講述陀螺儀在飛行控制器上所起到的作用，陀螺儀的安裝與調(diào)試，陀螺儀在飛行控制器上出現(xiàn)的問題和解決辦法。

關(guān)鍵詞：陀螺儀;無人機(jī);姿態(tài)增穩(wěn)

多旋翼無人機(jī)飛行姿態(tài)分為三種模式：

一是純手動(dòng)模式，根據(jù)遙控器發(fā)出舵量大小控制飛機(jī)的飛行姿態(tài)，舵量發(fā)出后如不改變舵量，飛控接收到的命令就不會改變。

二是GPS模式，在多旋翼無人機(jī)上裝有GPS系統(tǒng)模塊，具有精準(zhǔn)定位o功能和控制飛機(jī)姿態(tài)平穩(wěn)。飛機(jī)飛行時(shí)更容易被操縱手控制。

三是姿態(tài)模式，在特定的飛行環(huán)境下，遇到GPS信號弱或無信號時(shí)，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)飛行。

一、陀螺儀在飛控中的作用

多旋翼無人機(jī)主要構(gòu)成除MCU以外，無人機(jī)的飛行狀態(tài)還有各類傳感器的參與。如GPS模塊、陀螺儀、加速度傳感器等相互協(xié)助、互相輔助完成平穩(wěn)飛行，那么陀螺儀在純手動(dòng)模式下陀螺儀是不參與飛行姿態(tài)的運(yùn)算和控制，只有在GPS模式和姿態(tài)模式下，利用陀螺儀和其它各傳感器的配合控制飛機(jī)的飛行姿態(tài)。

遙控器副翼即左右方向在飛機(jī)飛行中叫做橫滾，也是三軸陀螺儀的X軸。遙控器升降即前后方向在飛機(jī)飛行中中叫做俯仰，也是三軸陀螺儀的Y軸。垂直方向就是Z軸。飛機(jī)在完成橫滾、側(cè)飛等大幅度動(dòng)作時(shí)陀螺儀更能充分的利用其優(yōu)勢，將數(shù)據(jù)處理的更細(xì)致，讓飛機(jī)在飛行中更穩(wěn)定。

一般增穩(wěn)全姿態(tài)控制回路是由三軸陀螺儀和雙軸傾角傳感器組成。增穩(wěn)反饋的控制是由陀螺儀對角速度的測量而得到的。使得機(jī)體在飛行中控制的更穩(wěn)，飛機(jī)飛行時(shí)的俯角、仰角、橫滾角使用傳感器利用時(shí)間差測得。將角速度傳感器和陀螺儀反饋的信息進(jìn)行綜合補(bǔ)償計(jì)算，能夠使飛機(jī)在飛行中的姿態(tài)更加穩(wěn)定，提高了可操作性。

二、陀螺儀的安裝與調(diào)試

（一）要求

IMU慣性測量單元模塊中含具有慣性功能的傳感器，實(shí)時(shí)檢測多旋翼無人機(jī)的飛行狀態(tài)態(tài);可測得多旋翼無人機(jī)的飛行高度。使用時(shí)將IMU連到主控器的CAN1 端口上。安裝時(shí)有位置、方向要求。IMU慣性單元出廠時(shí)必須經(jīng)過標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)，因電子產(chǎn)品都會受到溫度的影響，那么飛行的環(huán)境必須滿足慣性單元的工作環(huán)境。

（二）安裝與調(diào)試

安裝方向要求

按照下圖示意，選擇其中一種安裝方向。且在調(diào)參軟件中調(diào)整對應(yīng)的配置

安裝方向要求（圖一）

按照下面要求正確安裝。

安裝位置要求（圖二）

注意事項(xiàng)：

（1）切勿倒置，正面必須朝上。

（2）為保持設(shè)備空氣通暢和清潔，切勿有雜物覆蓋氣壓計(jì)入口。

（3）做好防水、放強(qiáng)磁場的應(yīng)對。

（4）因震動(dòng)會影響陀螺儀的數(shù)據(jù)，安裝時(shí)盡量避免震動(dòng)大的位置，一般靠近機(jī)體重心中心位置震動(dòng)較小。

（5）定期巡查，確保各粘貼處牢固。

（三）校準(zhǔn)

電子陀螺儀在飛機(jī)飛行靜止或靜態(tài)時(shí)，pitch繞x軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、yaw繞y軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，roll繞z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)反饋數(shù)據(jù)均為零。平穩(wěn)端起飛機(jī)機(jī)體，分別順著三個(gè)軸向小幅度擺動(dòng)，在調(diào)參軟件上會觀察到XYZ三軸數(shù)據(jù)的跟蹤變化。同時(shí)指示的方向會跟隨擺動(dòng)的方向而移動(dòng)。左右做小幅度傾斜飛行器，Z軸roll會出現(xiàn)傾角，動(dòng)作不會保持水平狀態(tài)。升降動(dòng)作傾斜飛機(jī)，PITCH數(shù)據(jù)會發(fā)生變化。

具體校準(zhǔn)步驟如下：

（1）安裝硬件固件驅(qū)動(dòng)和飛控在線調(diào)參軟件

使用USB連接線連接到飛控上，并在計(jì)算機(jī)上識別到有新的硬件接入，打開調(diào)參軟件進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試過程中需要使用USB為飛控提供5伏電源，如電腦電源提供電壓不穩(wěn)定，需使用穩(wěn)壓電源單獨(dú)提供。

（2）參數(shù)設(shè)置和遙控器配置

進(jìn)入主界面后，選擇無人機(jī)的旋翼數(shù)量，并設(shè)置遙控器和接收機(jī)的對頻以及遙控器正常工作的控制模式。打開遙控器設(shè)置飛機(jī)飛行狀態(tài)。

（3）檢查設(shè)置

對IMU即X、Y、Z軸的安裝位置檢查，對姿態(tài)的俯仰、橫滾、垂直比例的檢查，對通道監(jiān)測的檢查，對電機(jī)怠速匹配檢查。

（4）IMU 校準(zhǔn)

經(jīng)遙控器和接收機(jī)對頻完成后，各檢查都確保完成，在拆除槳的情況下開始對IMY進(jìn)行校準(zhǔn)，IMU 正常工作時(shí)無需自行校準(zhǔn)?？筛鶕?jù)傳感器反饋數(shù)值進(jìn)行判斷是否需要對IMU進(jìn)行校準(zhǔn)，一般有下列狀態(tài)需要校準(zhǔn)：

<1>陀螺儀出現(xiàn)異常值，大于1.5時(shí)，需要校準(zhǔn)

<2>加速度出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，數(shù)值在1.02和0.98之間，需要校準(zhǔn)

IMU校準(zhǔn)步驟如下：

<1>當(dāng)主控上電后，出現(xiàn)“就緒”字樣閃爍，即上電初始完成。

<2>點(diǎn)擊“校準(zhǔn)”，此時(shí)飛機(jī)機(jī)體必須把帶飛控字符的標(biāo)示面垂直正上方，并水平放置。

<3>點(diǎn)擊“確定”，IMU將開始校準(zhǔn)。確認(rèn)后校準(zhǔn)時(shí)間大概一分鐘，在校準(zhǔn)期間禁止受震動(dòng)、強(qiáng)磁場和靜電?？赡軙霈F(xiàn)校準(zhǔn)結(jié)果不準(zhǔn)確。以免影響IMU慣性單元校準(zhǔn)效果。主控程序中可查校準(zhǔn)結(jié)果，并實(shí)時(shí)保存。

在調(diào)參時(shí)，分別做XYZ軸的動(dòng)作，當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)平穩(wěn)時(shí)，三軸數(shù)據(jù)變化均微小時(shí)，即陀螺儀校準(zhǔn)完成。一般在多旋翼無人機(jī)使用時(shí)結(jié)合加速度傳感器一并調(diào)參和校準(zhǔn)。

三、陀螺儀在無人機(jī)使用過程中出現(xiàn)的故障及排除

（一）起飛狀態(tài)不穩(wěn)，側(cè)傾

檢查陀螺儀、電機(jī)安裝的位置角度、加速度傳感器、遙控器通道設(shè)置是否對應(yīng)、電機(jī)轉(zhuǎn)速怠速是否相同、螺旋槳的轉(zhuǎn)向。

（二）飛機(jī)摔碰后，機(jī)體抖動(dòng)

檢查飛控是否偏移位置，需重新進(jìn)行磁羅盤校準(zhǔn)和對電機(jī)的調(diào)參，并檢查飛控和接收機(jī)連接線是否松動(dòng)。

（三）使用中會出現(xiàn)不能自動(dòng)回中或回中不準(zhǔn)

此現(xiàn)象多出現(xiàn)于新的陀螺儀，飛機(jī)飛起后不能定向走位，是由于陀螺儀感應(yīng)器存在識別惰性，重新燒寫飛控固化程序即可解決。