陀螺仪的温漂特性
MEMS陀螺仪的零点偏移会随着环境温度的变化而变化，直观感受就是在夏天进行飞行测试时，由于飞控上面无遮挡，当飞行一段时间后，飞控不能回平了。也就是说，在温度变化的情况下，解算的姿态角数据有偏差，根本原因是上电校准的零点偏移数据不能再用了。图3-18所示为陀螺仪在静止状态下，温度变化时，陀螺仪3个轴向的测量数据变化趋势。由图可以看出，当温度逐渐上升时，3个轴向的数据都向递增的方向偏移。
目前解决这个问题的方法有两种：一种是传感器数据保持恒温输出，如大疆无人机会用大电阻给IMU模块加热，使传感器的工作温度维持恒定（图3-19）。而且打开黑色的三轴陀螺仪盒子，发现上下都有缓冲物，这是为了减振，避免振动给陀螺仪带来测量误差。
图3-18 随温度变化的陀螺仪零点偏移数据
图3-19 IMU
另一种是事先进行温漂标定，即在不同温度下，拟合出补偿的数据。但是，这种方法也较为麻烦，如飞控量产时，需要每一个都这么做；而且时间长了，标定会有偏差，一般情况下的陀螺仪误差模型如下：
其中，ωx、ωy、ωz为陀螺输出理想值，
、
、
为陀螺仪测量值，bx、by、bz为陀螺仪输出的零点偏移，sx、sy、sz为比例因子，M和H分别为三轴不正交误差矩阵与加速度对陀螺影响误差矩阵。在实际应用中，厂家需要用IMU校准平台在出厂前进行辅助处理。陀螺仪在水平转台上每个轴都转5圈，理想情况下的输出应该是：
如绕x轴旋转5圈，应该是3 600°，而实际测量值积分得到的却是3 500°，则可以得到x轴的比例因子为3 600/3 500，约为1.02，同理可得其他两个轴的比例因子。
安装误差矩阵如何求得？
假设绕x轴转5圈后，实际的输出矩阵可能是
假设安装误差矩阵M
则存在这样一个关系，C=MB，可得
总结：
（1）陀螺仪的误差校准主要是处理确定性误差，即零点偏移、比例因子、安装误差等，尤其是零点偏移的处理，会影响姿态估计的准确性；
（2）去零点偏移时，最好先让陀螺仪处于水平静止状态，再进行校准处理；
（3）陀螺仪的温漂也需要进行处理，以使其适应各种温度环境下的飞行；
（4）至于滤波，看具体情况，一般，450 mm轴距的飞行器，滤波带宽设置成30 Hz，普通的一阶低通滤波器即可满足需求。
【任务实施】
无人机在故障检修时，为避免发生安全事故，对他人和自己造成伤害，排故检修人员必须遵守安全使用和检查操作规范。
一、排故前注意事项
（1）由于无人机桨叶转速快，且桨叶材质较硬，旋转的桨叶会对人造成很大的伤害，因此检修前一定要将桨叶拆除，千万不要带桨叶操作。
（2）检修前准备好相关的工具盒和材料盒，做好工具“三清点”工作，拆卸下来的垫片、螺母、桨叶等要摆放好。
（3）拆除无人机的动力电池。
（4）排故前，确保飞行控制（飞控）正确安装。
二、Pixhawk飞控陀螺仪的检修
1.查看故障信息
用Micro USB线连接飞控与Mission Planner地面站，选择合适的端口和波特率，然后单击“连接”按钮。尝试解锁，并查看故障信息。
2.明确故障信息含义
“Gyros not healthy”的意思是陀螺仪不健康，“Gyro cal failed”代表陀螺仪校准失败，“Gyros inconsistent”则表示陀螺仪不一致。
3.检修
（1）如果HUD显示的故障信息是“Gyros not healthy”，这是由于陀螺仪数据跳动比较厉害，且数值不在量程范围内或者没有数据输出。可能的原因是Pixhawk飞控中的MPU6000芯片存在硬件问题，或者是飞控上电时没有处于静止状态，从而导致报错。
解决方案如下：
1）将无人机放平且让其保持静止不动，然后重新上电等待一段时间，让陀螺仪进行自校准。如果飞控状态指示灯红蓝交替闪烁几秒，表示陀螺仪正在进行校准。
2）如果尝试重新上电几次还是有问题，则需要检查MPU6000芯片是否有故障，方法是查看芯片资料，检查芯片引脚电压，并用示波器查看引脚输出的信号；确认芯片本身存在硬件问题后，需要及时进行更换。
（2）如果HUD显示的故障信息是“Gyro cal failed”，这个故障的原因一般是上电时，即在飞控状态灯红蓝灯闪烁时，飞控突然掉电；另外，还有可能是陀螺仪测量的数据超过限值。
解决方案是查找飞控掉电原因，并确保飞控供电不受影响，然后将无人机重新放平，并重新上电。
（3）如果HUD显示的故障信息是“Gyros inconsistent”，这是由于飞控上的两个陀螺仪的旋转角速度相差20°/s以上导致的，可能的原因是其中一个陀螺仪硬件出现故障，或者是陀螺仪标定不正确。
解决方案如下：
1）将无人机放平，重新上电校准；
2）如果是硬件出现故障，则需要按照第一步的方法进行排故。
【拓展阅读】
中国的激光陀螺仪发展历程
陀螺仪自诞生以来，就一直是各军事大国的核心技术，因为它可以提供精确的方位、姿态、位置、速度等信息。激光陀螺仪相比传统的机械陀螺仪无须转动部件，也不需要方向环框架、框架伺服机构、旋转轴承、导电环及力矩器和角度传感器等活动部件，所以结构简单，耐冲击力强，工作寿命长，维修方便，可靠性高；同时由于接通电源就能产生激光，所以启动时间短，稳定性好，并且抗干扰能力强，使其平均无故障工作时间已达到90 000 h以上；而且激光陀螺仪能够直接输出数字化控制信号，从而实现自动化或智能化控制（图3-20）。
上述优点使激光陀螺仪成为飞行器惯导系统核心的惯性器件，是一种能够精确确定物体运动方位的精密航空仪器，在国防科学技术和国民经济的许多领域中占有十分重要的地位，现在已经被广泛应用于战机、导弹、潜艇等需要精确制导的武器装备上。我国在该技术的研究上，起步并不比西方国家晚。第二次世界大战结束后，西方各国纷纷启动研究激光陀螺仪的计划。20世纪60年代初，美国研制出世界上第一台激光陀螺仪，引发了一场世界光学领域的革命，并且对我国进行了严格的技术封锁。当时刚刚成立不久的新中国，也在钱学森先生的倡议下成立了激光研究室。1971年，我国激光陀螺奠基人高伯龙院士应招入京，才开启了国产激光陀螺技术的研发之路。高伯龙院士凭着深厚的理论功底，通过理论推导和计算，终于搞清楚了激光陀螺仪的原理，并根据当时我国的工艺水平，提出了与美国不同的技术路线（图3-21）。
图3-20 激光陀螺仪
图3-21 高伯龙院士
1994年，全内腔四频差动激光陀螺仪工程样机被研制出来（图3-22），并成功通过了鉴定，我国成为世界上继美国、苏联、法国之后第4个能独立研制激光陀螺仪的国家。
不仅如此，当时其他3个国家还没有搞定四频，用的还是二频。也就是说，我们一研制就研制出了世界最先进的激光陀螺仪。
研制难度可想有多大，要知道当时的中国科学家都没见过激光陀螺仪实物，也不清楚里面的原理。而且以当时的科研条件与工艺水平，想研制成功，简直比登天还难。还是那句话，任何涉及核心的技术，我们不能被别人“卡脖子”。
或许有人会问：我们现在不是有北斗卫星导航系统吗？为何还要开发复杂、昂贵的激光陀螺仪？这是因为卫星导航虽然方便，全球都可以方便使用，但是有个最大的弱点，就是抗干扰能力不高。卫星在上万米的高空，发射信号很微弱，容易遭到干扰，而且导航卫星也容易在战时遭到敌人攻击，生存力低下。而激光陀螺仪最大的优点就是抗干扰能力强，不需要接收或辐射电磁波。因此，迄今为止没有任何一种方式，可以远距离地干扰陀螺仪工作，而且陀螺仪可在地下、水下、封闭空间内使用。毫无疑问，这是任何卫星导航所无可比拟的。
未来的战争一定是精准打击。包括遍布太空的卫星网络，以及基于无人机所形成的精确侦察打击能力等，而这一切都离不开陀螺仪的帮助。
正是有了高伯龙院士研制出来的国产激光陀螺仪，我国的导弹、战机、潜艇及各种尖端精确制导武器，从此安上了一双能精确定位、精确控制和精确打击的眼睛，也不用再担心受制于人。
也正是有这些老一辈科学家的无私奉献，我国才有了如今的成就。他们默默无闻地用自己一生的心血，为中华民族的复兴打下了坚实的“地基”。
图3-22 全内腔四频差动激光陀螺仪工程机
【巩固提高】
1.陀螺仪的误差有哪些？
2.简述机械转子陀螺仪和MEMS陀螺仪测角原理。
3.机械转子陀螺仪在航空上有哪些应用？
4.简述MEMS陀螺仪数据校准方法。
5.军用无人机和消费级无人机使用的陀螺仪是一样的吗？