三軸陀螺儀下的飛行器自動飛行控制

何巧云

摘要 設計中的四旋翼飛行器，通過測量，得出其飛行中的一些姿態數據信息。預測角速率，實施更新，把相關數據作為觀測更新，獲得比較精確的姿態角度信息。進而實現飛行控制的目的，后續應用前景較好。

【關鍵詞】三軸陀螺儀 飛行器 自動飛行

四軸飛行器屬于直升機范疇，擁有4個對稱旋翼。傳感器技術逐步完善，特別微電子及微機械技術不斷優化，最終使四軸飛行器達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，前方馬達轉速較快，進而確保水平，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施控制，前方馬達速度變得越來越慢，后方馬達則則相反，如此四軸傾向前方，同樣會向前方飛行。其余飛姿態也能達到相同的效果。

1 總體設計思路

主控芯片利用12C總線對MPU6050的數據和HMC5883L的數據實施讀取，在互補濾波融合算法協助下實施解算，最終將載體的橫滾角、俯仰角、偏航角給求解出來。科學定義通信格式，在串行接口協助下，將協議數據單元的數據幀形式發送到姿態控制單元。

傳感器的量程及更新速率組成了傳感器的初始化。濾波相關矩陣的初始化，以傳感器特征為依據，構建四維對角方陣，過程激勵噪聲協方差矩陣、對角元素分別表示為O、O.l。如果順利讀取陀螺儀數據，使濾波時間處在更新當中。整理加速度傳感器及磁阻傳感器的數據，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，結合上述傳感器的置信度來設立匹配的數值。

2 MPU6050軟件的設計

首先，初始化配置MPU6050。全球首例整合性6軸運動處理組件MPU6050陀螺儀數據的得到：集成電路芯片單片機在兩根線來通訊，的12C串口配合下，發送器件地址，記下需要發送信號，接著獲得所需讀取的中央處理器內中寄存器地址，先找到發送器件地址，令集成電路芯片單片機讀信號，應答，以依照地址順序為參照，按照從低至高進行讀取。

3 HMC5883L軟件的設計

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

磁場計HMC5883L磁力計的校準一直讀取數值，接著將數據轉化呈另外一種形式，于HMC5883結構體當中保存起來。準確讀取實現準確的信號，先進行準備，然后再讀取，得到發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，接著找到發送器件地址與讀信號，讀取數據，應答與否，接著對數據進行轉化，需要注意一點，各軸順序要先后一致。

4 濾波的設計

慣性導航系統不依靠外部信息、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值，且能得到接近的結果。濾波的使用用以處置存在誤差的實際測量數據，將信號內部多余干擾給濾掉，使噪聲干擾下的實際的信息流恢復最佳狀態。

因為確定信號的頻譜特性比較明確，參照不同信號各頻段，設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。當前經常使用的濾波器中有限沖擊響應濾波器，僅有有限個非零樣值的一種濾波器，無限沖擊的響應濾波器的單位沖擊響應無限長。卡爾曼濾波運用線性系統狀態方程，利用系統輸入及輸出，來對數據實施觀察，最佳評估系統狀態。卡爾曼濾波器設計在具體應用中非常順利。

5 姿態測量的執行與結果

5.1 陀螺儀與加速度傳感器的安裝

因為系統需要測算出不同坐標軸中單位時間內所走的弧度、加速度，所以，系統將會獲得陀螺儀（角運動檢測裝置）各軸的數據，同時還要具備加速度測量模塊。陀螺儀（角運動檢測裝置）以旋轉軸為參照進行安裝，其敏感軸與x軸、y軸、z軸是相對應的。對加速度傳感器而言，最好將其放置于系統重心，避免機體旋轉而出現加速度測量差錯，保證數據融合的順利進行。

電子羅盤非常重要的兩個功能分別是作為AHRS系統的一部分、地磁場長期較為穩定的特點。前者經過測量，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角速率測量誤差。以測量維度為依據，電子羅盤具有高速高精度A/D轉換與零點修正等的特點，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，但四旋翼系統姿態解算矯正的使用會產生較大處理器開銷，不能及時實施控制，不宜用于系統設計中。三維電子羅盤中設置了傾角傳感器，避免羅盤傾斜的不足，保證輸出航向數據的正確，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，兩軸加速度傳感器，測量加速度，用作傾角模塊補償。

5.2 姿態測量的結果

由于實驗條件的禁止，無法及時審核姿態，為此，僅設計了代碼檢查、靜態結構分析、代碼質量度量等的實驗，先將姿態測量模塊置于水平平臺輸尿管，使飛行器各地理坐標系保持一樣，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行檢查。實驗結果數據隨姿態變化而發生改變，如果姿態發生變化，實測結果與預期角度變化是相符的。

6 結束語

從本次設計的四旋翼飛行器姿態測量模塊實際工作情況來看，效果較好。該次研究成果在于，四旋翼飛行器的運動特點，先進行角速度積分接著獲得姿態變化，經過測量，得出估計姿態，通過互補濾波算法來組合兩個姿態，獲得最終的姿態。研究中的飛行器姿態測量平臺，以其余姿態測量方案為依據結束了器件選型的工作，模塊化設計的使用，把握了不同模塊的硬件電路設計，編程發揮模塊的作用，同時開展了測試驗證，從測量反饋效果來看，系統的所有模塊處于良好的工作狀態當中，算法無誤、可靠。

參考文獻

[1]李奧偉，黃起，楊雪山.四旋翼飛行器的設計[J]，電子制作，2014 （10x）： 5-6.

[2]劉兆中.對四軸飛行器的姿態控制器的設計與仿真[J]，科技資訊，2013 （06）： 93- 93.