电子陀螺仪在多旋翼无人机中的应用

2019-09-10毛新如

锦绣·下旬刊 2019年12期

毛新如

摘要：多旋翼无人机在地质测绘、摄影及航拍和高精度的空中执行特殊任务中起到至关重要的作用，如何使多旋翼无人机在空中飞行姿态更稳定。电子陀螺仪在多旋翼无人机的飞行姿态的控制上起到重要的作用。本文主要讲述陀螺仪在飞行控制器上所起到的作用，陀螺仪的安装与调试，陀螺仪在飞行控制器上出现的问题和解决办法。

关键词：陀螺仪;无人机;姿态增稳

多旋翼无人机飞行姿态分为三种模式：

一是纯手动模式，根据遥控器发出舵量大小控制飞机的飞行姿态，舵量发出后如不改变舵量，飞控接收到的命令就不会改变。

二是GPS模式，在多旋翼无人机上装有GPS系统模块，具有精准定位o功能和控制飞机姿态平稳。飞机飞行时更容易被操纵手控制。

三是姿态模式，在特定的飞行环境下，遇到GPS信号弱或无信号时，可以自动实现平稳飞行。

一、陀螺仪在飞控中的作用

多旋翼无人机主要构成除MCU以外，无人机的飞行状态还有各类传感器的参与。如GPS模块、陀螺仪、加速度傳感器等相互协助、互相辅助完成平稳飞行，那么陀螺仪在纯手动模式下陀螺仪是不参与飞行姿态的运算和控制，只有在GPS模式和姿态模式下，利用陀螺仪和其它各传感器的配合控制飞机的飞行姿态。

遥控器副翼即左右方向在飞机飞行中叫做横滚，也是三轴陀螺仪的X轴。遥控器升降即前后方向在飞机飞行中中叫做俯仰，也是三轴陀螺仪的Y轴。垂直方向就是Z轴。飞机在完成横滚、侧飞等大幅度动作时陀螺仪更能充分的利用其优势，将数据处理的更细致，让飞机在飞行中更稳定。

一般增稳全姿态控制回路是由三轴陀螺仪和双轴倾角传感器组成。增稳反馈的控制是由陀螺仪对角速度的测量而得到的。使得机体在飞行中控制的更稳，飞机飞行时的俯角、仰角、横滚角使用传感器利用时间差测得。将角速度传感器和陀螺仪反馈的信息进行综合补偿计算，能够使飞机在飞行中的姿态更加稳定，提高了可操作性。

二、陀螺仪的安装与调试

（一）要求

IMU惯性测量单元模块中含具有惯性功能的传感器，实时检测多旋翼无人机的飞行状态态;可测得多旋翼无人机的飞行高度。使用时将IMU连到主控器的CAN1 端口上。安装时有位置、方向要求。IMU惯性单元出厂时必须经过标定标准，因电子产品都会受到温度的影响，那么飞行的环境必须满足惯性单元的工作环境。

（二）安装与调试

安装方向要求

按照下图示意，选择其中一种安装方向。且在调参软件中调整对应的配置

安装方向要求（图一）

按照下面要求正确安装。

安装位置要求（图二）

注意事项：

（1）切勿倒置，正面必须朝上。

（2）为保持设备空气通畅和清洁，切勿有杂物覆盖气压计入口。

（3）做好防水、放强磁场的应对。

（4）因震动会影响陀螺仪的数据，安装时尽量避免震动大的位置，一般靠近机体重心中心位置震动较小。

（5）定期巡查，确保各粘贴处牢固。

（三）校准

电子陀螺仪在飞机飞行静止或静态时，pitch绕x轴旋转运动、yaw绕y轴旋转运动，roll绕z轴旋转运动，经反馈数据均为零。平稳端起飞机机体，分别顺着三个轴向小幅度摆动，在调参软件上会观察到XYZ三轴数据的跟踪变化。同时指示的方向会跟随摆动的方向而移动。左右做小幅度倾斜飞行器，Z轴roll会出现倾角，动作不会保持水平状态。升降动作倾斜飞机，PITCH数据会发生变化。

具体校准步骤如下：

（1）安装硬件固件驱动和飞控在线调参软件

使用USB连接线连接到飞控上，并在计算机上识别到有新的硬件接入，打开调参软件进行调试，调试过程中需要使用USB为飞控提供5伏电源，如电脑电源提供电压不稳定，需使用稳压电源单独提供。

（2）参数设置和遥控器配置

进入主界面后，选择无人机的旋翼数量，并设置遥控器和接收机的对频以及遥控器正常工作的控制模式。打开遥控器设置飞机飞行状态。

（3）检查设置

对IMU即X、Y、Z轴的安装位置检查，对姿态的俯仰、横滚、垂直比例的检查，对通道监测的检查，对电机怠速匹配检查。

（4）IMU 校准

经遥控器和接收机对频完成后，各检查都确保完成，在拆除桨的情况下开始对IMY进行校准，IMU 正常工作时无需自行校准。可根据传感器反馈数值进行判断是否需要对IMU进行校准，一般有下列状态需要校准：

<1>陀螺仪出现异常值，大于1.5时，需要校准

<2>加速度出现异常数据，数值在1.02和0.98之间，需要校准

IMU校准步骤如下：