解析 | 速度傳感器和陀螺儀如何讓無人機飛的更穩(wěn)

在無人飛行器的飛機姿態(tài)控制這一重要應(yīng)用上，以MEMS加速度傳感器、MEMS陀螺儀為主的傳感類硬件的應(yīng)用可謂是大放異彩。

無人飛行器資料圖

在無人機飛行姿態(tài)控制中，通常在用MEMS傳感器測量角度的變化時，一般都要選擇組合式的傳感器。也就是說，既不能單純地依賴加速度傳感器，也不能單純依賴陀螺儀。為什么呢？究其原因，這是由每種傳感器自身的局限性所決定的。例如，陀螺儀輸出的是角速度，要通過積分才能獲得角度，但是即使在零輸入狀態(tài)時，陀螺儀仍是有輸出的，它的輸出是白噪聲和慢變隨機函數(shù)的疊加，受此影響，在積分的過程中，必然會引進(jìn)累計誤差，積分時間越長，誤差就越大。這時候，便需要加速度傳感器的加入，利用加速度傳感器來對陀螺儀進(jìn)行校正。由于加速度傳感器可以利用力的分解原理，通過重力加速度在不同軸向上的分量來判斷傾角。同時，它沒有積分誤差，所以加速度傳感器在相對靜止的條件下，可以有效校正陀螺儀的誤差。但在運動狀態(tài)下，加速度傳感器輸出的可信度就要下降，因為它測量的是重力和外力的合力。

多軸無人飛行器資料圖

目前，無人機在應(yīng)用中的較常見算法，就是利用互補濾波，即結(jié)合加速度傳感器和陀螺儀的輸出，來算出角度變化。

另外，無人機應(yīng)用的環(huán)境決定了它所使用的MEMS傳感器必須適用于各種惡劣條件，同時獲得高精度的輸出。

例如，陀螺儀的理想輸出是只響應(yīng)角速度變化，但實際上受設(shè)計和工藝的限制，陀螺儀對加速度也是敏感的，就是我們在陀螺儀數(shù)據(jù)手冊上常見的deg/sec/g的指標(biāo)。對于多軸飛行器的應(yīng)用來說，這個指標(biāo)尤為重要，因為飛行器中的馬達(dá)一般會帶來較強烈的振動，一旦減震控制不好，就會在飛行過程中產(chǎn)生很大的加速度，那勢必會帶來陀螺儀輸出的變化，進(jìn)而引起角度變化，馬達(dá)就會誤動作，最后帶給用戶的直觀感覺就是飛行器飛得不穩(wěn)。

飛控是什么？

飛行控制系統(tǒng)（Flight control system）簡稱飛控，可以看作飛行器的大腦。多軸飛行器的飛行、懸停，姿態(tài)變化等等都是由多種傳感器將飛行器本身的姿態(tài)數(shù)據(jù)傳回飛控，再由飛控通過運算和判斷下達(dá)指令，由執(zhí)行機構(gòu)完成動作和飛行姿態(tài)調(diào)整。

控可以理解成無人機的CPU系統(tǒng)，是無人機的核心部件，其功能主要是發(fā)送各種指令，并且處理各部件傳回的數(shù)據(jù)。類似于人體的大腦，對身體各個部位發(fā)送指令，并且接收各部件傳回的信息，運算后發(fā)出新的指令。例如，大腦指揮手去拿一杯水，手觸碰到杯壁后，因為水太燙而縮回，并且將此信息傳回給大腦，大腦會根據(jù)實際情況重新發(fā)送新的指令。

無人機的飛行原理及控制方法（以四旋翼無人機為例）

四旋翼無人機一般是由檢測模塊，控制模塊，執(zhí)行模塊以及供電模塊組成。檢測模塊實現(xiàn)對當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行量測；執(zhí)行模塊則是對當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行解算，優(yōu)化控制，并對執(zhí)行模塊產(chǎn)生相對應(yīng)的控制量；供電模塊對整個系統(tǒng)進(jìn)行供電。

四旋翼無人機機身是由對稱的十字形剛體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，材料多采用質(zhì)量輕、強度高的碳素纖維；在十字形結(jié)構(gòu)的四個端點分別安裝一個由兩片槳葉組成的旋翼為飛行器提供飛行動力，每個旋翼均安裝在一個電機轉(zhuǎn)子上，通過控制電機的轉(zhuǎn)動狀態(tài)控制每個旋翼的轉(zhuǎn)速，來提供不同的升力以實現(xiàn)各種姿態(tài)；每個電機均又與電機驅(qū)動部件、中央控制單元相連接，通過中央控制單元提供的控制信號來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速大??；IMU慣性測量單元為中央控制單元提供姿態(tài)解算的數(shù)據(jù)，機身上的檢測模塊為無人機提供了解自身位姿情況最直接的數(shù)據(jù)，為四旋翼無人機最終實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的自主飛行提供了保障。

現(xiàn)將位于四旋翼機身同一對角線上的旋翼歸為一組，前后端的旋翼沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，從而可以產(chǎn)生順時針方向的扭矩；而左右端旋翼沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生逆時針方向的扭矩，如此四個旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的扭矩便可相互之間抵消掉。由此可知，四旋翼飛行器的所有姿態(tài)和位置的控制都是通過調(diào)節(jié)四個驅(qū)動電機的速度實現(xiàn)的。一般來說，四旋翼無人機的運動狀態(tài)主要分為懸停、垂直運動、滾動運動、俯仰運動以及偏航運動五種狀態(tài)。

懸停

懸停狀態(tài)是四旋翼無人機具有的一個顯著的特點。在懸停狀態(tài)下，四個旋翼具有相等的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生的上升合力正好與自身重力相等，即。并且因為旋翼轉(zhuǎn)速大小相等，前后端轉(zhuǎn)速和左右端轉(zhuǎn)速方向相反，從而使得飛行器總扭矩為零，使得飛行器靜止在空中，實現(xiàn)懸停狀態(tài)。

垂直運動

垂直運動是五種運動狀態(tài)中較為簡單的一種，在保證四旋翼無人機每個旋轉(zhuǎn)速度大小相等的倩況下，同時對每個旋翼增加或減小大小相等的轉(zhuǎn)速，便可實現(xiàn)飛行器的垂直運動。當(dāng)同時増加四個旋翼轉(zhuǎn)速時，使得旋翼產(chǎn)生的總升力大小超過四旋翼無人機的重力時，即，四旋翼無人機便會垂直上升；反之，當(dāng)同時減小旋翼轉(zhuǎn)速時，使得每個旋翼產(chǎn)生的總升力小于自身重力時，即，四旋翼無人機便會垂直下降，從而實現(xiàn)四旋翼無人機的垂直升降控制。

翻滾運動

翻滾運動是在保持四旋翼無人機前后端旋翼轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過改變左右端的旋翼轉(zhuǎn)速，使得左右旋翼之間形成一定的升力差，從而使得沿飛行器機體左右對稱軸上產(chǎn)生一定力矩，導(dǎo)致在方向上產(chǎn)生角加速度實現(xiàn)控制的。如圖2.3所示，增加旋翼1的轉(zhuǎn)速，減小旋翼3的轉(zhuǎn)速，則飛行器傾斜于右側(cè)飛行；相反，減小旋翼４，增加旋翼２，則飛行器向左傾斜飛行。

俯仰運動

四旋翼飛行器的俯仰運動和滾動運動相似，是在保持機身左右端旋翼轉(zhuǎn)速不變的前提下，通過改變前后端旋翼轉(zhuǎn)速形成前后旋翼升力差，從而在機身前后端對稱軸上形成一定力矩，引起角方向上的角加速度實現(xiàn)控制的。如圖2.4所示，增加旋翼３的轉(zhuǎn)速，減小旋翼１的轉(zhuǎn)速，則飛行器向前傾斜飛行；反之，則飛行器向后傾斜。

偏航運動

四旋翼的偏轉(zhuǎn)運動是通過同時兩兩控制四個旋翼轉(zhuǎn)速實現(xiàn)控制的。保持前后端或左右端旋翼轉(zhuǎn)速相同時，其便不會發(fā)生俯仰或滾動運動；而當(dāng)每組內(nèi)的兩個旋翼與另一組旋翼轉(zhuǎn)速不同時，由于兩組旋翼旋轉(zhuǎn)方向不同，便會導(dǎo)致反扭矩力的不平衡，此時便會產(chǎn)生繞機身中心軸的反作用力，引起沿角角加速度。如圖2.3所示，當(dāng)前后端旋翼的轉(zhuǎn)速相等并大于左右端旋翼轉(zhuǎn)速時，因為前者沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，后者相反，總的反扭矩沿逆時針方向，反作用力作用在機身中心軸上沿逆時針方向，引起逆時針偏航運動；反之，則會引起飛行器的順時針偏航運動。

綜上所述，四旋翼無人機的各個飛行狀態(tài)的控制是通過控制對稱的四個旋翼的轉(zhuǎn)速，形成相應(yīng)不同的運動組合實現(xiàn)的。但是在飛行過程中卻有六個自由度輸出，因此它是一種典型的欠驅(qū)動，強耦合的非線性系統(tǒng)。例如，旋翼1的轉(zhuǎn)速會導(dǎo)致無人機向左翻滾，同時逆時針轉(zhuǎn)動的力矩會大于順時針的力矩，從而進(jìn)一步使得無人機向左偏航，此外翻滾又會導(dǎo)致無人機的向左平移，可以看出，四旋翼無人機的姿態(tài)和平動是耦合的。

四旋翼無人機自主飛行的控制

四旋翼無人機的精確航跡跟蹤是實現(xiàn)無人機自主飛行的基本要求。由于四旋翼無人機自身存在姿態(tài)與平動的耦合關(guān)系以及模型參數(shù)不確定性與外界擾動，因此只有實現(xiàn)姿態(tài)的穩(wěn)定控制才能完成航跡的有效跟蹤。

在四旋翼無人機的自主控制系統(tǒng)中，姿態(tài)穩(wěn)定控制是實現(xiàn)飛行器自主飛行的基礎(chǔ)。其任務(wù)是控制四旋翼無人機的三個姿態(tài)角（俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角）穩(wěn)定地跟蹤期望姿態(tài)信號，并保證閉環(huán)姿態(tài)系統(tǒng)具有期望的動態(tài)特性。由于四旋翼無人機姿態(tài)與平動的耦合特點，分析可以得知，只有保證姿態(tài)達(dá)到穩(wěn)定控制，才使得旋翼總升力在期望的方向上產(chǎn)生分量，進(jìn)而控制飛行器沿期望的航跡方向飛行。而四旋翼無人機的姿態(tài)在實際飛行環(huán)境中回受到外界干擾和不精確模型的參數(shù)誤差、測量噪聲等未建模動態(tài)對控制效果的影響。所以，需要引入適當(dāng)?shù)挠^測器和控制器對總的不確定性進(jìn)行估計和補償，并對其估計的誤差進(jìn)行補償，來保證四旋翼無人機在外界存在干擾下對姿態(tài)的有效跟蹤。

四旋翼無人機的姿態(tài)控制應(yīng)根據(jù)其實際的工作特性以及動力學(xué)模型，進(jìn)而針對姿態(tài)的三個通道（俯仰，翻滾和偏航）分別設(shè)計姿態(tài)控制器，每個通道中都對應(yīng)引入相應(yīng)的控制器，其流程如下所示。

此方法可以基本保證每個通道的實際姿態(tài)值跟蹤上期望值。但是，在只考慮對模型本身進(jìn)行控制時，沒有考慮到外部不確定性對閉環(huán)系統(tǒng)的影響。微小型無人機在飛行時，由于機體較小，電機的振動較強，很容易受到外界環(huán)境的干擾。因此，整個通道中必然存在不確定因素，比如模型誤差、環(huán)境干擾、觀測誤差等，這些不確定性將降低系統(tǒng)的閉環(huán)性能。所以在設(shè)計無人機控制系統(tǒng)時，必須要考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，即閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性。因此需要設(shè)計一定的干擾補償器對干擾進(jìn)行逼近和補償，以實現(xiàn)姿態(tài)角的穩(wěn)定跟蹤。

只有在保證飛機姿態(tài)可以保持穩(wěn)定才能進(jìn)一步討論如何控制路徑保持穩(wěn)定，在時間尺度上進(jìn)行分析，飛機的姿態(tài)角變化的頻率要大于飛機位置的頻率。所以，針對軌跡跟蹤應(yīng)當(dāng)使用內(nèi)外雙環(huán)控制，內(nèi)環(huán)控制姿態(tài)角，外環(huán)控制位置。

IMU慣性測量單元

現(xiàn)在的飛控內(nèi)部使用的都是由三軸陀螺儀，三軸加速度計，三軸地磁傳感器和氣壓計組成的一個IMU，也稱慣性測量單元。那么什么是三軸陀螺儀，什么是三軸加速度計，什么是三軸地磁傳感器呢，什么是氣壓計呢？它們在飛機上起到的是什么作用呢，這三軸又是哪三個軸呢？

三軸陀螺儀，三軸加速度計，三軸地磁傳感器中的三軸指的就是飛機左右，前后垂直方向上下這三個軸，一般都用XYZ來代表。左右方向在飛機中叫做橫滾，前后方向在飛機中叫做俯仰，垂直方向就是Z軸。陀螺都知道，小時候基本上都玩過，在不轉(zhuǎn)動的情況下它很難站在地上，只有轉(zhuǎn)動起來了，它才會站立在地上，或者說自行車，輪子越大越重的車子就越穩(wěn)定，轉(zhuǎn)彎的時候明顯能夠感覺到一股阻力，這就是陀螺效應(yīng)，根據(jù)陀螺效應(yīng)，聰明的人們發(fā)明出的陀螺儀。最早的陀螺儀是一個高速旋轉(zhuǎn)的陀螺，通過三個靈活的軸將這個陀螺固定在一個框架中，無論外部框架怎么轉(zhuǎn)動，中間高速旋轉(zhuǎn)的陀螺始終保持一個姿態(tài)。通過三個軸上的傳感器就能夠計算出外部框架旋轉(zhuǎn)的度數(shù)等數(shù)據(jù)。

由于成本高，機械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，現(xiàn)在都被電子陀螺儀代替，電子陀螺儀的優(yōu)勢就是成本低，體積小重量輕，只有幾克重，穩(wěn)定性還有精度都比機械陀螺高。說道這，大家也就明白陀螺儀在飛控中起到的作用了吧，它就是測量XYZ三個軸的傾角的。

那么三軸加速度計時干什么的呢？剛剛說道三軸陀螺儀就是XYZ三個軸，現(xiàn)在不用說也就明白三軸加速度計也是XYZ三個軸。當(dāng)我們開車起步的一瞬間就會感到背后有一股推力，這股推力呢就是加速度，加速度是速度變化量與發(fā)生這一變化時間的比值，是描述物體變化快慢的物理量，米每二次方秒，例如一輛車在停止?fàn)顟B(tài)下，它的加速度是0，起步后，從每秒0米到每秒10米，用時10秒，這就是這輛車的加速度，如果車速每秒10米的速度行駛，它的加速度就是0，同樣，用10秒的時間減速，從每秒10米減速到每秒5米，那么它的加速就是負(fù)數(shù)。三軸加速度計就是測量飛機XYZ三個軸的加速度。

我們?nèi)粘３鲂卸际歉鶕?jù)路標(biāo)或記憶來尋找自己的面向的，地磁傳感器就是感知地磁的，就是一個電子指南針，它可以讓飛機知道自己的飛行朝向，機頭朝向，找到任務(wù)位置和家的位置。氣壓計呢就是測量當(dāng)前位置的大氣壓，都知道高度越高，氣壓越低，這就是人到高原之后為什么會有高原反應(yīng)了，氣壓計是通過測量不同位置的氣壓，計算壓差獲得到當(dāng)前的高度，這就是整個IMU慣性測量單元，它在飛機中起到的作用就是感知飛機姿態(tài)的變化，例如飛機當(dāng)前是前傾還是左右傾斜，機頭朝向、高度等最基本的姿態(tài)數(shù)據(jù)，那么這些數(shù)據(jù)在飛控中起到的作用是什么呢？

飛控最基本的功能控制一架飛機在空中飛行時的平衡，是由IMU測量，感知飛機當(dāng)前的傾角數(shù)據(jù)通過編譯器編譯成電子信號，將這個信號通過信號新時時傳輸給飛控內(nèi)部的單片機，單片機負(fù)責(zé)的是運算，根據(jù)飛機當(dāng)前的數(shù)據(jù)，計算出一個補償方向，補償角，然后將這個補償數(shù)據(jù)編譯成電子信號，傳輸給舵機或電機，電機或舵機在去執(zhí)行命令，完成補償動作，然后傳感器感知到飛機平穩(wěn)了，將實時數(shù)據(jù)再次給單片機，單片機會停止補償信號，這就形成了一個循環(huán)，大部分飛控基本上都是10HZ的內(nèi)循環(huán)，也就是1秒刷新十次。

這就是飛控最基本的功能，如果沒有此功能，當(dāng)一個角一旦傾斜，那么飛機就會快速的失去平衡導(dǎo)致墜機，或者說沒有氣壓計測量不到自己的高度位置就會一直加油門或者一直降油門。其次，固定翼飛控還有空速傳感器，空速傳感器一般位于機翼上或機頭，但不會在螺旋槳后邊，空速傳感器就是兩路測量氣壓的傳感器，一路測量靜止氣壓，一路測量迎風(fēng)氣壓，在計算迎風(fēng)氣壓與靜止氣壓的壓差就可以算出當(dāng)前的空氣流速。

有了最基本的平衡、定高和指南針等功能，還不足以讓一家飛機能夠自主導(dǎo)航，就像我們?nèi)ツ硞€商場一樣，首先我們需要知道商場的所在位置，知道自己所在的位置，然后根據(jù)交通情況規(guī)劃路線。飛控也亦然，首先飛控需要知道自己所在位置，那就需要定位的，也就是我們常說的GPS，現(xiàn)在定位的有GPS、北斗、手機網(wǎng)絡(luò)等定位系統(tǒng)，但是這里面手機網(wǎng)絡(luò)定位是最差的，誤差好的話幾十米，不好的話上千米，這種誤差是飛控?zé)o法接受的，由于GPS定位系統(tǒng)較早，在加上是開放的，所以大部分飛控采用的都是GPS，也有少數(shù)采用的北斗定位。精度基本都在3米內(nèi)，一般開闊地都是50厘米左右，因環(huán)境干擾，或建筑物、樹木之類的遮擋，定位可能會差，很有可能定位的是虛假信號。這也就是為什么民用無人機頻頻墜機、飛丟的一個主要原因

加速度傳感器可以幫助你的機器人了解它現(xiàn)在身處的環(huán)境。是在爬山？還是在走下坡，摔倒了沒有？或者對于飛行類的機器人來說，對于控制姿態(tài)也是至關(guān)重要的。更要確保的是，你的機器人沒有帶著炸彈自己前往人群密集處。一個好的程序員能夠使用加速度傳感器來回答所有上述問題。加速度傳感器甚至可以用來分析發(fā)動機的振動。通過測量由于重力引起的加速度，你可以計算出設(shè)備相對于水平面的傾斜角度。通過分析動態(tài)加速度，你可以分析出設(shè)備移動的方式。但是剛開始的時候，你會發(fā)現(xiàn)光測量傾角和加速度好像不是很有用。但是，現(xiàn)在工程師們已經(jīng)想出了很多方法獲得更多的有用的信息。

有些筆記本電腦里就內(nèi)置了加速度傳感器，能夠動態(tài)的監(jiān)測出筆記本在使用中的振動，并根據(jù)這些振動數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會智能的選擇關(guān)閉硬盤還是讓其繼續(xù)運行，這樣可以最大程度的保護(hù)由于振動，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔了電腦做造成的硬盤損害，最大程度的保護(hù)里面的數(shù)據(jù)。另外一個用處就是目前用的數(shù)碼相機和攝像機里，也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時候的手部的振動，并根據(jù)這些振動，自動調(diào)節(jié)相機的聚焦。

加速度傳感器可應(yīng)用在控制，手柄振動和搖晃，儀器儀表，汽車制動啟動檢測，地震檢測，報警系統(tǒng)，玩具，結(jié)構(gòu)物、環(huán)境監(jiān)視，工程測振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析；鼠標(biāo)，高層建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動偵察上。加速度傳感器工作原理

線加速度計的原理是慣性原理，也就是力的平衡，A（加速度）=F（慣性力）/M（質(zhì)量）我們只需要測量F就可以了。怎么測量F？用電磁力去平衡這個力就可以了。就可以得到 F對應(yīng)于電流的關(guān)系。只需要用實驗去標(biāo)定這個比例系數(shù)就行了。當(dāng)然中間的信號傳輸、放大、濾波就是電路的事了。

現(xiàn)代科技要求加速度傳感器廉價、性能優(yōu)越、易于大批量生產(chǎn)。在諸如軍工、空間系統(tǒng)、科學(xué)測量等領(lǐng)域，需要使用體積小、重量輕、性能穩(wěn)定的加速度傳感器。以傳統(tǒng)加工方法制造的加速度傳感器難以全面滿足這些要求。于是應(yīng)用新興的微機械加工技術(shù)制作的微加速度傳感器應(yīng)運而生。這種傳感器體積小、重量輕、功耗小、啟動快、成本低、可靠性高、易于實現(xiàn)數(shù)字化和智能化。而且，由于微機械結(jié)構(gòu)制作精確、重復(fù)性好、易于集成化、適于大批量生產(chǎn)，它的性能價格比很高。可以預(yù)見在不久的將來，它將在加速度傳感器市場中占主導(dǎo)地位。

微加速度傳感器有壓阻式、壓電式、電容式等形式。

壓電式傳感器是利用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)原理。敏感芯體質(zhì)量受振動加速度作用后產(chǎn)生一個與加速度成正比的力，壓電材料受此力作用后沿其表面形成與這一力成正比的電荷信號。壓電式加速度傳感器具有動態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號不需要任何外界電源等特點，是被最為廣泛使用的振動測量傳感器。雖然壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，商業(yè)化使用歷史也很長，但因其性能指標(biāo)與材料特性、設(shè)計和加工工藝密切相關(guān)，因此在市場上銷售的同類傳感器性能的實際參數(shù)以及其穩(wěn)定性和一致性差別非常大。與壓阻和電容式相比，其最大的缺點是壓電式加速度傳感器不能測量零頻率的信號。

壓電式加速傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。在兩塊表面鍍銀的壓電晶片（石英晶體或壓電 陶瓷）間夾1片金屬薄片，并引出輸出信號的引線。在壓電晶片上放置1塊質(zhì)量塊，并用硬彈 簧對壓電元件施加預(yù)壓縮載荷。靜態(tài)預(yù)載荷的大小應(yīng)遠(yuǎn)大于傳感器在振動、沖擊測試中可能 承受的最大動應(yīng)力。這樣，當(dāng)傳感器向上運動時，質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力使壓電元件上的壓應(yīng)力 增加；反之，當(dāng)傳感器向下運動時，壓電元件的壓應(yīng)力減小，從而輸出與加速度成正比例的電 信號。

傳感器整個組件裝在一個原基座上，并用金屬殼體加以封罩。為了隔離試件的任何應(yīng)變 傳遞到壓電元件上去，基座尺寸較大。測試時傳感器的基座與測試件剛性連接。當(dāng)測試件的振動頻率遠(yuǎn)低于傳感器的諧振頻率時，傳感器輸出電荷（或電壓）與測試件的加速度成正比，經(jīng)電荷放大器或電壓放大器即可測出加速度。

應(yīng)變壓阻式加速度傳感器的敏感芯體為半導(dǎo)體材料制成電阻測量電橋，其結(jié)構(gòu)動態(tài)模型仍然是彈簧質(zhì)量系統(tǒng)?，F(xiàn)代微加工制造技術(shù)的發(fā)展使壓阻形式敏感芯體的設(shè)計具有很大的靈活性以適合各種不同的測量要求。在靈敏度和量程方面，從低靈敏度高量程的沖擊測量，到直流高靈敏度的低頻測量都有壓阻形式的加速度傳感器。同時壓阻式加速度傳感器測量頻率范圍也可從直流信號到具有剛度高，測量頻率范圍到幾十千赫茲的高頻測量。超小型化的設(shè)計也是壓阻式傳感器的一個亮點。需要指出的是盡管壓阻敏感芯體的設(shè)計和應(yīng)用具有很大靈活性，但對某個特定設(shè)計的壓阻式芯體而言其使用范圍一般要小于壓電型傳感器。壓阻式加速度傳感器的另一缺點是受溫度的影響較大，實用的傳感器一般都需要進(jìn)行溫度補償。在價格方面，大批量使用的壓阻式傳感器成本價具有很大的市場競爭力，但對特殊使用的敏感芯體制造成本將遠(yuǎn)高于壓電型加速度傳感器。

電容型加速度傳感器的結(jié)構(gòu)形式一般也采用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。當(dāng)質(zhì)量受加速度作用運動而改變質(zhì)量塊與固定電極之間的間隙進(jìn)而使電容值變化。電容式加速度計與其它類型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響應(yīng)、環(huán)境適應(yīng)性好等特點，尤其是受溫度的影響比較小；但不足之處表現(xiàn)在信號的輸入與輸出為非線性，量程有限，受電纜的電容影響，以及電容傳感器本身是高阻抗信號源，因此電容傳感器的輸出信號往往需通過后繼電路給于改善。在實際應(yīng)用中電容式加速度傳感器較多地用于低頻測量，其通用性不如壓電式加速度傳感器，且成本也比壓電式加速度傳感器高得多。

加速度傳感器可應(yīng)用在控制，手柄振動和搖晃，儀器儀表，汽車制動啟動檢測，地震檢測，報警系統(tǒng)，玩具，結(jié)構(gòu)物、環(huán)境監(jiān)視，工程測振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析；鼠標(biāo)，高層建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動偵察上。

目前，大部分設(shè)備都提供了可以檢測各個方向的加速度傳感器。以iOS設(shè)備為例，我們利用了其三軸加速度傳感器（x，y，z軸代表方向如圖）的特性來分析。分別用以檢測人步行中三個方向的加速度變化。

三軸加速度傳感器示意圖

用戶在水平步行運動中，垂直和前進(jìn)兩個加速度會呈現(xiàn)周期性變化，如圖所示。在步行收腳的動作中，由于重心向上單只腳觸地，垂直方向加速度是呈正向增加的趨勢，之后繼續(xù)向前，重心下移兩腳觸底，加速度相反。水平加速度在收腳時減小，在邁步時增加。

反映到圖表中，可以看到，在步行運動中，垂直和前進(jìn)產(chǎn)生的加速度與時間大致為一個正弦曲線，而且在某點有一個峰值。其中，垂直方向的加速度變化最大，通過對軌跡的峰值進(jìn)行檢測計算和加速度閥值決策，即可實時計算用戶運動的步數(shù)，還可依此進(jìn)一步估算用戶步行距離。

計步的合理算法因為用戶在運動中可能用手平持設(shè)備，或者將設(shè)備置于口袋中。所以，設(shè)備的放置方向不定。為此，通過計算三個加速度的矢量長度，我們可以獲得一條步行運動的正弦曲線軌跡。第二步是峰值檢測，我們記錄了上次矢量長度和運動方向，通過矢量長度的變化，可以判斷目前加速度的方向，并和上一次保存的加速度方向進(jìn)行比較。如果是相反的，即是剛過峰值狀態(tài)，則進(jìn)入計步邏輯進(jìn)行計步，否則舍棄。通過對峰值的次數(shù)累加，可得到用戶步行的步伐。最后，就是去干擾。手持設(shè)備會有一些低幅度和快速的抽動狀態(tài)，或是我們俗稱的手抖，或者某個惡作劇用戶想通過短時快速反復(fù)搖動設(shè)備來模擬人走路，這些干擾數(shù)據(jù)如果不剔除，會影響記步的準(zhǔn)確值，對于這種干擾，我們可以通過給檢測加上閥值和步頻判斷來過濾。

陀螺儀原理

陀螺儀是用來測量角速率的器件，在加速度功能基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步發(fā)展，構(gòu)建陀螺儀。

陀螺儀的內(nèi)部原理是這樣的：對固定指施加電壓，并交替改變電壓，讓一個質(zhì)量塊做振蕩式來回運動，當(dāng)旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生科里奧利加速度，此時就可以對其進(jìn)行測量；這有點類似于加速度計，解碼方法大致相同，都會用到放大器。

角速率由科氏加速度測量結(jié)果決定

科氏加速度 = 2 × （w × 質(zhì)量塊速度）

w是施加的角速率（w = 2 πf）

通過14 kHz共振結(jié)構(gòu)施加的速度（周期性運動）快速耦合到加速度計框架

科氏加速度與諧振器具有相同的頻率和相位，因此可以抵消低速外部振動

該機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與加速度計相似（微加工多晶硅）

信號調(diào)理（電壓轉(zhuǎn)換偏移）采用與加速度計類似的技術(shù)

施加變化的電壓來回移動器件，此時器件只有水平運動沒有垂直運動。如果施加旋轉(zhuǎn)，可以看到器件會上下移動，外部指將感知該運動，從而就能拾取到與旋轉(zhuǎn)相關(guān)的信號。

上面的動畫，只是抽象展示了陀螺儀的工作原理，而真實的陀螺儀內(nèi)部構(gòu)造是下面這個樣子，別不小心誤會了哦~

PS：陀螺儀可以三個一起設(shè)計，分別對應(yīng)于所謂滾動、俯仰和偏航。任何了解航空器的人都知道，俯仰是指航空器的上下方向，偏航是指左右方向，滾動是指向左或向右翻滾。要正確控制任何類型的航空器或?qū)?，都需要知道這三個參數(shù)，這就會用到陀螺儀。它們還常常用于汽車導(dǎo)航，當(dāng)汽車進(jìn)入隧道而失去GPS信號時，這些器件會記錄您的行蹤。

無人機在飛行作業(yè)時，獲取的無人機影像通常會攜帶配套的POS數(shù)據(jù)。從而在處理中可以更加方便的處理影像。而POS數(shù)據(jù)主要包括GPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)，即傾斜攝影測量中的外方位元素：（緯度、經(jīng)度、高程、航向角（Phi）、俯仰角（Omega）及翻滾角（Kappa））。

GPS數(shù)據(jù)一般用X、Y、Z表示，代表了飛機在飛行中曝光點時刻的地理位置。

飛控是由主控MCU和慣性測量模塊（IMU，Inertial Measurement Unit）組成。IMU提供飛行器在空間姿態(tài)的傳感器原始數(shù)據(jù)，一般由陀螺儀傳感器/加速度傳感器/電子羅盤提供飛行器9DOF數(shù)據(jù)。

IMU中的傳感器用來感知飛行器在空中的姿態(tài)和運動狀態(tài)，這有個專有名詞叫做運動感測追蹤，英文Motion Tracking。運動感測技術(shù)主要有四種基礎(chǔ)運動傳感器，下面分別說明其進(jìn)行運動感測追蹤的原理。

微機電系統(tǒng)（MEMS）

IMU中使用的傳感器基本上都是微機電系統(tǒng)（MEMS），是半導(dǎo)體工業(yè)中非常重要的一個分支。

微機電系統(tǒng)（MEMS， Micro-Electro-Mechanical System）是一種先進(jìn)的制造技術(shù)平臺。微機電系統(tǒng)是微米大小的機械系統(tǒng)，是以半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。

我們的四軸飛行器上用到的加速度陀螺儀MPU6050，電子羅盤HMC5883L都是微機電系統(tǒng)，屬于傳感MEMS分支。傳感MEMS技術(shù)是指用微電子微機械加工出來的、用敏感元件如電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、隧道電流等來感受轉(zhuǎn)換電信號的器件和系統(tǒng)。

陀螺儀數(shù)據(jù)校準(zhǔn)

原理

一款飛控上的傳感器是需要進(jìn)行校準(zhǔn)的，比如這里講的陀螺儀。目前大多數(shù)的陀螺校準(zhǔn)其實就是去掉零點偏移量，采集一定的數(shù)據(jù)，求平均，這個平均值就是零點偏移，后續(xù)飛控所讀的數(shù)據(jù)減去零偏即可，如下所示：

這里乘以0.005其實就是除以200，表示采集的200個數(shù)據(jù)。

目的

零點偏移對陀螺、進(jìn)而對飛控的影響是巨大的，舉個例子，加入x軸有0.2度/秒的零偏，那通過這個x軸計算出來的角度，也不會是從0度開始，造成姿態(tài)角有偏差，所以飛行過程中會很難控水平。

一般方法

陀螺的校準(zhǔn)比較簡單，一般上電后，自己執(zhí)行即可，然后保存這個零偏，另每次上電得到的零偏都不同，所以需要每次都校準(zhǔn)一次。PX4原生飛控，這點做得很蠢，在QGC地面站的傳感器校準(zhǔn)頁面中，需要用戶自己點擊進(jìn)行校準(zhǔn)，不會自動執(zhí)行，當(dāng)然這個很好改。

進(jìn)階

考慮到如果是小白用戶，或者沒細(xì)看說明書，通常有陀螺上電自動校準(zhǔn)的話，是需要通電后保持靜止的，否則校準(zhǔn)得到的是一個錯誤值，所以最好能識別飛行器是否在靜止?fàn)顟B(tài)，然后再進(jìn)行校準(zhǔn)。方法也很簡單，就是判定兩次采集的數(shù)據(jù)差的和是否超過一定閾值，超過閾值，說明在運動中，這里就不啟用校準(zhǔn)，LED紅燈提示，飛控代碼在此不斷循環(huán)待機，直至靜止?fàn)顟B(tài)。

陀螺的誤差分析

作為飛控系統(tǒng)上的核心傳感器，陀螺儀的重要程度不言而喻。飛控的姿態(tài)數(shù)據(jù)很大程度上需要依賴陀螺儀的數(shù)據(jù)質(zhì)量。但是低成本的MEMS傳感器，比如飛控上常用的mpu6050/mpu6000等，在使用過程中，誤差一直伴隨著測量值，所以這里就簡單談?wù)動心男┱`差，以及處理的方法。

MEMS慣性器件的誤差一般分成兩類：系統(tǒng)性誤差和隨機誤差。系統(tǒng)性誤差本質(zhì)就是能找到規(guī)律的誤差，所以可以實時補償?shù)簦饕ǔＶ灯?、比例因子、軸安裝誤差等。但是隨機誤差一般指噪聲，無法找到合適的關(guān)系函數(shù)去描述噪聲，所以很難處理。一般采用時間序列分析法對零點偏移的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差建模分析，可以用卡爾曼濾波算法減小隨機噪聲的影響。

從物理意義和誤差來源分，也把 MEMS 陀螺儀漂移分為常值漂移、角度隨機游走、速率隨機游走、量化噪聲和速率斜坡等。

陀螺數(shù)據(jù)噪聲成分辨識

要對陀螺信號進(jìn)行預(yù)處理首先需要對其噪聲成分進(jìn)行辨識。Allan方差分析法是目前最常用的陀螺噪聲辨識方法之一。由于Allan方差分析是通過調(diào)節(jié)Allan方差濾波器帶寬，對功率譜進(jìn)行細(xì)致分割，能夠辨識出多種不同類型的隨機過程誤差，并定量分離各項誤差系數(shù)，而且算法上操作簡單、便于計算，在陀螺噪聲辨識方面優(yōu)勢明顯。

Allan方差實質(zhì)上就是通過求取整個信息采集過程中相鄰時間段的方差形式來對信號在整個時間段內(nèi)的穩(wěn)定情況進(jìn)行衡量的過程。Allan方差的雙對數(shù)曲線的典型形式以及不同斜率段的曲線代表的噪聲成分如下圖：

用傳感器靜止采集數(shù)據(jù)10000s左右，采用周期是100Hz。allan方差結(jié)果如下圖所示。

所以這里的MEMS陀螺所包含的噪聲成分主要有：角度隨機游走、相關(guān)噪聲、速率隨機游走，而其中代表零偏不穩(wěn)定性的斜率為0的部分曲線很短，可以認(rèn)為兩個陀螺中零偏不穩(wěn)定性影響都相對較小，所以前面進(jìn)行的陀螺校準(zhǔn)得到的零偏可以認(rèn)為是一個常值。

一個簡單的模型

這里描述一個簡單的模型，認(rèn)為陀螺的數(shù)據(jù)誤差主要是零偏和白噪聲，如下所示：

最后得到的參數(shù)：

模型對比如下圖：

放大部分：

所以兩者模型，基本一致的，在一般應(yīng)用中，可以滿足需求。

陀螺的溫飄特性

MEMS的陀螺儀的零偏是會受到環(huán)境溫度的影響產(chǎn)生變化的，直觀感受就是，筆者曾經(jīng)在夏天，進(jìn)行飛行測試時，由于飛控上面無遮擋，當(dāng)飛行一段時間后，飛控不能回平了，也就是說，溫度變化的情況下，解算的姿態(tài)角數(shù)據(jù)有偏差了，本質(zhì)是上電校準(zhǔn)的零偏不能再用了，如下圖的數(shù)據(jù)：

雖然極端天氣下飛行的機會不多，但是一款成熟的飛控產(chǎn)品還是要考慮這個因素的，比如在高溫、極端寒冷條件下。

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