实时飞行控制:嵌入式传感器校准和数据采集

此过程将说明 IMU 和 ADS 传感器校准和与飞行计算机的集成，并演示在室外飞行设施中使用集成的 INS 和 ADS 数据采集和处理。演示了在密歇根大学 M-Air 网状飞行测试设施中运行的四旋翼的端到端飞行控制。

1. 传感器校准:惯性测量单元 （IMU）

在高质量测试设备的支持下执行传感器校准时，效果最高。对于 3 轴 IMU，使用精度速率表（图 6 ）分别校准每个轴的速率陀螺仪和加速度计。速率表以用户定义的角速度精确旋转。用户发出一系列速率命令，在此期间，IMU 会收集传感器校准所需的数据。因此，下面描述的单轴校准实验重复三次，每个 IMU 传感器轴（x、y、z） 重复一次。

1. 将 IMU 安装在速率表上，以便正在校准的传感器轴向内或向外径向定向。
2. 测量从表格中心到 IMU 中心的距离。这是圆周运动的参考半径。
3. 将 DAQ 计算机、IMU 和电池直接安装到速率表中，并直接连接所有组件。
4. 设置软件以收集 IMU 速率和加速数据。
5. 虽然速率表是一动不动的，记录速率陀螺仪和加速度计的偏置值。
6. 进行一系列具有不同正负恒定速率表旋转率的实验。传感器校准应为线性。以 0（基线）、±15、+30 和 +60 度/秒的速率获取数据。该表可以以更快的速率旋转，但所选值足以覆盖典型无人机飞行操作中预期的信号。
7. 收集上面列出的每个角速度值的速率陀螺仪和加速度计的数据。在收集数据之前，应建立每个旋转速率，以确保保持恒定的速率。收集超过 10 - 15 s 的数据，假设数据收集速率至少为 30 - 100 Hz，以确保干扰可以从最终校准值中过滤出来。
8. 断开 IMU 并将其从速率表上断开并定向，以便正在校准的加速度计将点向下。
9. 通过计算机系统收集 +1g 的数据。
10. 翻转 IMU，使正在校准的加速度计向上点，并通过计算机系统收集 -1g 数据。这些额外的数据点易于获取，可用于验证从 ±1g 速率表数据中获得的每个线性校准曲线。 1g 值对于精确校准尤为重要，因为线性加速度计数据用于确定相对于四轴飞行器主体的"向下"方向。
11. 处理数据。为陀螺仪和加速度计数据点开发线性曲线拟合，将采集的电压与 MKS 单位旋转速率（陀螺仪）和线性加速度（加速度计）相关联。确认校准误差足够低。请注意，速率表提供陀螺仪校准的角速度的直接控制。相应的加速度，a，由圆周运动的向心力引起的，可以从速率表中心的指定角速度 +和 IMU 的半径r计算:
    (9)

2. 四旋翼飞行实验

对于我们的最后一系列实验，我们将IMU和pitot系统安装在四旋翼（如图7所示）上，并在密歇根大学的M-Air网状飞行设施中飞行。车辆通过 Ardupilot 开源自动驾驶仪套件的端口稳定到 Beaglebone Blue（不使用微处理器），并在飞行前通过任务规划器地面站软件进行配置。无线电控制发射器/接收器接口使飞行员能够为四旋翼高度、侧对侧运动以及前往 Ardupilot 的"内环"飞行控制规律提供"外环"命令，以调节四旋翼滚动角度、俯仰角、偏航角（）。标题），和海拔。[14]

由于四旋翼不需要空速反馈来稳定，Ardupilot 仅依靠 IMU 数据加上高度压力传感器，该传感器在程序初始化期间相对于起飞高度压力进行校准，以稳定给定的飞行先导输入。Ardupilot 的完全自主扩展需要来自 GPS 或其他传感系统的惯性位置数据（例如，高速运动捕获）。由于我们的实验是在受限环境中用四旋翼进行的，因此不需要使用 pitot 空气数据系统。 然而，皮托特系统对于固定翼飞机和多直升机在不确定的大风环境下尝试精确的飞行路径至关重要。[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。这一细分类似于载人飞机飞行员通过使用完善的驾驶舱检查表所遵循的程序。[17]

飞行前

1. 为电池充电，并在安装前对其进行测试。
2. 建立一个明确的测试环境（室内或室外），并标记区域，以确保不参与的人保持清晰。
3. 确保飞行测试团队经过简报并合格（经过培训）以执行计划测试。
4. 如果飞往室外，请确保飞机和飞行员已根据 FAA 法规进行注册和认证。露天测试至少需要三个人:指挥飞行员 （PIC）、目视观察者 （VO） 和地面站操作员。在我们的测试中，四旋翼将在室外的网状设施中飞行。两个系绳操作员将确保车辆不能飞离进行室内测试。请注意，由于无人机不占用开放的室外空间，因此没有具体的 FAA 法规适用于网状飞行测试。
5. 打开飞行电脑和地面站笔记本电脑。
6. 收集初步数据以确保传感器正常工作。飞行员和支持团队必须确保清楚地了解飞行计划，并确保制定中止/恢复程序。

飞行测试

6. 在地面站上开始数据采集。
7. 确认飞行区域是否清晰/安全。
8. 臂推进器/电机。
9. 启动飞行测试序列。
10. 进行飞行测试，飞行员会发出每个步骤，包括至少:
    起飞（发射）、飞行模式变化、已知航点目标或机动以及着陆。 确保所有人员都在执行任务，并根据需要执行紧急程序（航班终止）。航点和轨迹特定于每个航班。对于四旋翼实验，我们遵循中等侵略性的交叉和矩形模式在恒定的高度和方向，其次是攀登/下降，然后一个偏航序列。此飞行中的角速率和线性加速度在数据中很容易识别，它们确认 IMU 和飞行控制器工作正常。

飞行后

11. 解除电机的武装，以确保它们不会意外打开。
12. 保存飞行数据并将其下载到存档存储。
13. 根据飞行员、VO 和地面站操作员反馈，用文字记录飞行。
14. 检查电池并根据需要充电。
15. 回收设备，并为下一个乘员清洁区域。