实时飞行控制：嵌入式传感器校准与数据采集

本流程将演示惯性测量单元（IMU）和大气数据系统（ADS）传感器的校准及其与飞控计算机的集成，并展示在户外飞行设施中如何使用集成的惯性导航系统（INS）和大气数据系统进行数据采集与处理。实验在密歇根大学的M-Air网状飞行测试设施中进行，展示了四旋翼飞行器端到端的飞行控制。

1. 传感器校准：惯性测量单元（IMU）

当使用高质量测试设备进行支持时，传感器校准效果最佳。对于三轴惯性测量单元（IMU），应使用精密速率转台分别对每个轴的陀螺仪和加速度计进行校准（图6）。该速率转台可精确地以用户设定的角速度旋转。用户发出一系列速率指令，在此过程中，IMU采集传感器校准所需的数据。因此，下述单轴校准实验需重复三次，分别对应IMU传感器的三个轴（x, y, z）。

1. 将IMU安装在转台上，使待校准的传感器轴线沿径向向内或向外。
2. 测量转台中心到IMU中心的距离。该距离即为圆周运动的参考半径。
3. 将数据采集（DAQ）计算机、IMU和电池直接安装在转台上，并将所有组件直接连接。
4. 设置软件以采集IMU的角速率和加速度数据。
5. 在转台静止时，记录陀螺仪和加速度计的零偏值。
6. 进行一系列实验，采用不同正负恒定的转台旋转速率。传感器校准预期呈线性关系。采集0（基准值）、±15、±30和±60度/秒角速度下的数据。转台可运行于更高速率，但所选数值已足以覆盖典型无人机飞行操作中预期的信号范围。
7. 针对上述每个角速度值，采集待校准陀螺仪和加速度计的数据。在开始采集数据前，应确保已稳定达到目标旋转速率，以维持恒定转速。假设数据采集频率至少为30–100 Hz，持续采集10–15秒的数据，以便在最终校准值中滤除干扰信号。
8. 断开连接并从转台上取下IMU，将其调整至待校准的加速度计方向朝下。
9. 通过计算机系统采集+1g数据。
10. 翻转IMU，使待校准的加速度计方向朝上，通过计算机系统采集-1g数据。这些额外数据点易于获取，可用于验证由转台数据在±1g处获得的每条线性校准曲线。准确校准1g值尤为重要，因为线性加速度数据用于确定相对于四旋翼飞行器本体的“向下”方向。
11. 处理数据。对陀螺仪和加速度计的数据点建立线性拟合关系，将采集到的电压值转换为国际单位制（MKS）下的旋转速率（陀螺仪）和线性加速度（加速度计）。确认校准误差足够低。需注意，转台可直接控制角速度以进行陀螺仪校准。由圆周运动向心力引起的相应加速度a可根据设定的角速度ω和IMU相对于转台中心的半径r计算得出：
        (9)

2. 四旋翼飞行实验

在最后一组实验中，我们将惯性测量单元（IMU）和皮托管系统安装在四旋翼飞行器上（如图7所示），并在密歇根大学的M-Air网状飞行设施中进行飞行。该飞行器通过将Ardupilot开源自动驾驶仪软件包移植到Beaglebone Blue（未使用微处理器）上实现稳定，并通过Mission Planner地面站软件在飞行前完成配置。无线电遥控发射机/接收机接口使飞行员能够向Ardupilot的“内环”飞行控制律发送“外环”指令，以调节四旋翼的滚转角、俯仰角、偏航角（航向）和高度。[14]

由于四旋翼飞行器无需空速反馈即可实现稳定，Ardupilot 仅依赖惯性测量单元（IMU）数据以及用于测量高度的气压传感器，该传感器在程序初始化时相对于起飞点的气压进行校准，从而根据飞行员输入实现飞行稳定。Ardupilot 的完全自主飞行功能需要来自全球定位系统（GPS）或其他感知系统（例如高速运动捕捉系统）的惯性位置数据。由于我们的实验是在受限环境中使用四旋翼飞行器进行的，因此无需皮托管大气数据系统。然而，在不确定的强风环境中执行精确飞行路径的固定翼飞机和多旋翼飞行器，皮托管系统则是必不可少的。[15, 16] 飞行测试程序分为三个阶段：飞行前、飞行测试和飞行后。这种划分方式类似于有人驾驶飞机飞行员所遵循的标准驾驶舱检查单程序。[17]

飞行前

1. 在安装前对电池进行充电并测试。
2. 建立明确的测试环境（室内或室外），并标记区域，确保无关人员远离。
3. 确保飞行测试团队已接受简报并具备执行计划测试的资质（经过培训）。
4. 若在室外飞行，须确保航空器和飞行员已根据美国联邦航空管理局（FAA）规定完成注册和认证。开放空间测试至少需要三人：指挥飞行员（PIC）、目视观察员（VO）和地面站操作员。在我们的测试中，四旋翼飞行器将在室外的网状设施内飞行。对于室内测试，将配备两名系留操作员，以确保飞行器无法飞离。请注意，由于无人机未占用开放的室外空间，因此无特定的FAA规定适用于网状飞行测试。
5. 开启飞行计算机和地面站笔记本电脑。
6. 采集初步数据，以确保传感器正常工作。飞行员及支持团队必须充分理解飞行计划，并制定中止/恢复程序。

飞行测试

6. 在地面站启动数据采集。
7. 确认飞行区域已清空/安全。 
8. 臂部推进器/电机
9. 启动飞行测试序列。
10. 进行飞行测试，由飞行员逐项喊出每个步骤，至少包括：
    起飞（发射）、飞行模式切换、已知航点目标或机动动作，以及降落。确保所有人员各司其职，并根据需要执行应急程序（飞行终止）。航点与飞行轨迹针对每次飞行具体设定。在四旋翼实验中，我们按照中等强度的十字形和矩形航线飞行，保持恒定高度和航向，随后进行爬升/下降，再执行偏航序列。此次飞行中的角速度与线加速度在数据中清晰可辨，证实惯性测量单元（IMU）与飞控系统工作正常。

飞行后

11. 解除电机锁定，以确保电机不会意外启动。
12. 保存并下载飞行数据至归档存储设备。
13. 根据飞行员、目视观察员（VO）和地面站操作员的反馈，以文字形式记录飞行日志。
14. 检查电池，并根据需要进行充电。
15. 回收设备，并清理现场，为下一位使用者做好准备。