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更穩定。電子陀螺儀在多旋翼無人機的飛行姿態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的問題和解決辦法。

關鍵詞：陀螺儀;無人機;姿態增穩

多旋翼無人機飛行姿態分為三種模式：

一是純手動模式，根據遙控器發出舵量大小控制飛機的飛行姿態，舵量發出后如不改變舵量，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系統模塊，具有精準定位o功能和控制飛機姿態平穩。飛機飛行時更容易被操縱手控制。

三是姿態模式，在特定的飛行環境下，遇到GPS信號弱或無信號時，可以自動實現平穩飛行。

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助、互相輔助完成平穩飛行，那么陀螺儀在純手動模式下陀螺儀是不參與飛行姿態的運算和控制，只有在GPS模式和姿態模式下，利用陀螺儀和其它各傳感器的配合控制飛機的飛行姿態。

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勢，將數據處理的更細致，讓飛機在飛行中更穩定。

一般增穩全姿態控制回路是由三軸陀螺儀和雙軸傾角傳感器組成。增穩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，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更加穩定，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態;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過標定標準，因電子產品都會受到溫度的影響，那么飛行的環境必須滿足慣性單元的工作環境。

（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據，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，經反饋數據均為零。平穩端起飛機機體，分別順著三個軸向小幅度擺動，在調參軟件上會觀察到XYZ三軸數據的跟蹤變化。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會出現傾角，動作不會保持水平狀態。升降動作傾斜飛機，PITCH數據會發生變化。

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定，需使用穩壓電源單獨提供。

（2）參數設置和遙控器配置

進入主界面后，選擇無人機的旋翼數量，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。

（3）檢查設置

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

（4）IMU 校準

經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。可根據傳感器反饋數值進行判斷是否需要對IMU進行校準，一般有下列狀態需要校準：

<1>陀螺儀出現異常值，大于1.5時，需要校準

<2>加速度出現異常數據，數值在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“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?？赡軙霈F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，當出現數據平穩時，三軸數據變化均微小時，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的故障及排除

（一）起飛狀態不穩，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）使用中會出現不能自動回中或回中不準

此現象多出現于新的陀螺儀，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。