電子陀螺儀在多旋翼無人機中的應用

毛新如

摘 要：多旋翼無人機在地質測繪、攝影及航拍和高精度的空中執(zhí)行特殊任務中起到至關重要的作用，如何使多旋翼無人機在空中飛行姿態(tài)更穩(wěn)定。電子陀螺儀在多旋翼無人機的飛行姿態(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，陀螺儀的安裝與調試，陀螺儀在飛行控制器上出現(xiàn)的問題和解決辦法。

關鍵詞：陀螺儀;無人機;姿態(tài)增穩(wěn)

多旋翼無人機飛行姿態(tài)分為三種模式：

一是純手動模式，根據(jù)遙控器發(fā)出舵量大小控制飛機的飛行姿態(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，在多旋翼無人機上裝有GPS系統(tǒng)模塊，具有精準定位o功能和控制飛機姿態(tài)平穩(wěn)。飛機飛行時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，可以自動實現(xiàn)平穩(wěn)飛行。

一、陀螺儀在飛控中的作用

多旋翼無人機主要構成除MCU以外，無人機的飛行狀態(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模式下陀螺儀是不參與飛行姿態(tài)的運算和控制，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的飛行姿態(tài)。

遙控器副翼即左右方向在飛機飛行中叫做橫滾，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。飛機在完成橫滾、側飛等大幅度動作時陀螺儀更能充分的利用其優(yōu)勢，將數(shù)據(jù)處理的更細致，讓飛機在飛行中更穩(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。使得機體在飛行中控制的更穩(wěn)，飛機飛行時的俯角、仰角、橫滾角使用傳感器利用時間差測得。將角速度傳感器和陀螺儀反饋的信息進行綜合補償計算，能夠使飛機在飛行中的姿態(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，實時檢測多旋翼無人機的飛行狀態(tài)態(tài);可測得多旋翼無人機的飛行高度。使用時將IMU連到主控器的CAN1 端口上。安裝時有位置、方向要求。IMU慣性單元出廠時必須經(jīng)過標定標準，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。且在調參軟件中調整對應的配置

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：

（1）切勿倒置，正面必須朝上。

（2）為保持設備空氣通暢和清潔，切勿有雜物覆蓋氣壓計入口。

（3）做好防水、放強磁場的應對。

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

（5）定期巡查，確保各粘貼處牢固。

（三）校準

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

具體校準步驟如下：

（1）安裝硬件固件驅動和飛控在線調參軟件

使用USB連接線連接到飛控上，并在計算機上識別到有新的硬件接入，打開調參軟件進行調試，調試過程中需要使用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)壓電源單獨提供。

（2）參數(shù)設置和遙控器配置

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

（3）檢查設置

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，對電機怠速匹配檢查。

（4）IMU 校準

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

<1>陀螺儀出現(xiàn)異常值，大于1.5時，需要校準

<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

IMU校準步驟如下：

<1>當主控上電后，出現(xiàn)“就緒”字樣閃爍，即上電初始完成。

<2>點擊“校準”，此時飛機機體必須把帶飛控字符的標示面垂直正上方，并水平放置。

<3>點擊“確定”，IMU將開始校準。確認后校準時間大概一分鐘，在校準期間禁止受震動、強磁場和靜電。可能會出現(xiàn)校準結果不準確。以免影響IMU慣性單元校準效果。主控程序中可查校準結果，并實時保存。

在調參時，分別做XYZ軸的動作，當出現(xiàn)數(shù)據(jù)平穩(wěn)時，三軸數(shù)據(jù)變化均微小時，即陀螺儀校準完成。一般在多旋翼無人機使用時結合加速度傳感器一并調參和校準。

三、陀螺儀在無人機使用過程中出現(xiàn)的故障及排除

（一）起飛狀態(tài)不穩(wěn)，側傾

檢查陀螺儀、電機安裝的位置角度、加速度傳感器、遙控器通道設置是否對應、電機轉速怠速是否相同、螺旋槳的轉向。

（二）飛機摔碰后，機體抖動

檢查飛控是否偏移位置，需重新進行磁羅盤校準和對電機的調參，并檢查飛控和接收機連接線是否松動。

（三）使用中會出現(xiàn)不能自動回中或回中不準

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