三轴陀螺仪下的飞行器自动飞行控制

何巧云

摘要 设计中的四旋翼飞行器，通过测量，得出其飞行中的一些姿态数据信息。预测角速率，实施更新，把相关数据作为观测更新，获得比较精确的姿态角度信息。进而实现飞行控制的目的，后续应用前景较好。

【关键词】三轴陀螺仪 飞行器 自动飞行

四轴飞行器属于直升机范畴，拥有4个对称旋翼。传感器技术逐步完善，特别微电子及微机械技术不断优化，最终使四轴飞行器达到自主飞行控制的效果。四轴飞行器飞行性能可靠可多角度角度灵活移动，为消除外力影响，前方马达转速较快，进而确保水平，相同的是，其余几个方向受外力作用时，四轴也能借助此种动作来维持水平。如果需对四轴向前飞实施控制，前方马达速度变得越来越慢，后方马达则则相反，如此四轴倾向前方，同样会向前方飞行。其余飞姿态也能达到相同的效果。

1 总体设计思路

主控芯片利用12C总线对MPU6050的数据和HMC5883L的数据实施读取，在互补滤波融合算法协助下实施解算，最终将载体的横滚角、俯仰角、偏航角给求解出来。科学定义通信格式，在串行接口协助下，将协议数据单元的数据帧形式发送到姿态控制单元。

传感器的量程及更新速率组成了传感器的初始化。滤波相关矩阵的初始化，以传感器特征为依据，构建四维对角方阵，过程激励噪声协方差矩阵、对角元素分别表示为O、O.l。如果顺利读取陀螺仪数据，使滤波时间处在更新当中。整理加速度传感器及磁阻传感器的数据，如果能够顺利读取，那么便能观测更新。磁场观测更新算法、加速度观测更新的不同之处在于观测方差的尺，结合上述传感器的置信度来设立匹配的数值。

2 MPU6050软件的设计

首先，初始化配置MPU6050。全球首例整合性6轴运动处理组件MPU6050陀螺仪数据的得到：集成电路芯片单片机在两根线来通讯，的12C串口配合下，发送器件地址，记下需要发送信号，接着获得所需读取的中央处理器内中寄存器地址，先找到发送器件地址，令集成电路芯片单片机读信号，应答，以依照地址顺序为参照，按照从低至高进行读取。

3 HMC5883L软件的设计

初始化配置电子罗盘HMC5883L的，先让球首例整合性6轴运动处理组件MPU6050的MasterIIC模式实施失能，然后开始打开电子罗盘（数字罗盘），打开旁路模式（略过模式）ByPass Mode，读取电子罗盘（数字罗盘），这时输出采样频率（采样速度或者采样率）75Hz，然后假定在电磁学里高斯磁定律中磁场增益当前处于最高水平，接着一直测量，得到数据。

磁场计HMC5883L磁力计的校准一直读取数值，接着将数据转化呈另外一种形式，于HMC5883结构体当中保存起来。准确读取实现准确的信号，先进行准备，然后再读取，得到发送器件地址及写信号，接着查找到待读的高速存贮部件寄存器地址，接着找到发送器件地址与读信号，读取数据，应答与否，接着对数据进行转化，需要注意一点，各轴顺序要先后一致。

4 滤波的设计

惯性导航系统不依靠外部信息、不向外部辐射能量由于各传感器的性能、精度不同。为此，用各传感器测量相同的数值，且能得到接近的结果。滤波的使用用以处置存在误差的实际测量数据，将信号内部多余干扰给滤掉，使噪声干扰下的实际的信息流恢复最佳状态。

因为确定信号的频谱特性比较明确，参照不同信号各频段，设置低通滤波器与带阻滤波器等合理的频率特性的滤波器，因此达到无衰减通过有用信号的目的，但阻滞了干扰信号。

通过一些物理手段使滤波方法成为可能。当前经常使用的滤波器中有限冲击响应滤波器，仅有有限个非零样值的一种滤波器，无限冲击的响应滤波器的单位冲击响应无限长。卡尔曼滤波运用线性系统状态方程，利用系统输入及输出，来对数据实施观察，最佳评估系统状态。卡尔曼滤波器设计在具体应用中非常顺利。

5 姿态测量的执行与结果

5.1 陀螺仪与加速度传感器的安装

因为系统需要测算出不同坐标轴中单位时间内所走的弧度、加速度，所以，系统将会获得陀螺仪（角运动检测装置）各轴的数据，同时还要具备加速度测量模块。陀螺仪（角运动检测装置）以旋转轴为参照进行安装，其敏感轴与x轴、y轴、z轴是相对应的。对加速度传感器而言，最好将其放置于系统重心，避免机体旋转而出现加速度测量差错，保证数据融合的顺利进行。

电子罗盘非常重要的两个功能分别是作为AHRS系统的一部分、地磁场长期较为稳定的特点。前者经过测量，确定地磁北极，明确四旋翼飞行方向;后者通过滤波方法彌补角速率测量误差。以测量维度为依据，电子罗盘具有高速高精度A/D转换与零点修正等的特点，被划分为平面电子罗盘、三维电子罗盘。前者需要用户在使用过程中维持罗盘的水平，不然不易测量的输出，但四旋翼系统姿态解算矫正的使用会产生较大处理器开销，不能及时实施控制，不宜用于系统设计中。三维电子罗盘中设置了倾角传感器，避免罗盘倾斜的不足，保证输出航向数据的正确，为此，三维电子罗盘的选取一定好合适，更容易测出不同轴向的磁场性质，两轴加速度传感器，测量加速度，用作倾角模块补偿。

5.2 姿态测量的结果

由于实验条件的禁止，无法及时审核姿态，为此，仅设计了代码检查、静态结构分析、代码质量度量等的实验，先将姿态测量模块置于水平平台输尿管，使飞行器各地理坐标系保持一样，接着为模块通电，同时将程序下载下来，对俯仰角及偏航角等进行检查。实验结果数据随姿态变化而发生改变，如果姿态发生变化，实测结果与预期角度变化是相符的。

6 结束语

从本次设计的四旋翼飞行器姿态测量模块实际工作情况来看，效果较好。该次研究成果在于，四旋翼飞行器的运动特点，先进行角速度积分接着获得姿态变化，经过测量，得出估计姿态，通过互补滤波算法来组合两个姿态，获得最终的姿态。研究中的飞行器姿态测量平台，以其余姿态测量方案为依据结束了器件选型的工作，模块化设计的使用，把握了不同模块的硬件电路设计，编程发挥模块的作用，同时开展了测试验证，从测量反馈效果来看，系统的所有模块处于良好的工作状态当中，算法无误、可靠。

参考文献

[1]李奥伟，黄起，杨雪山.四旋翼飞行器的设计[J]，电子制作，2014 （10x）： 5-6.

[2]刘兆中.对四轴飞行器的姿态控制器的设计与仿真[J]，科技资讯，2013 （06）： 93- 93.