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加速度傳感器和陀螺儀如何讓無人機(jī)飛得更穩(wěn)
來源:互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)表于 2020/7/14

在無人飛行器的飛機(jī)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。


在無人機(jī)飛行姿態(tài)控制中,通常在用MEMS傳感器測量角度的變化時(shí),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(shí),陀螺儀仍是有輸出的,它的輸出是白噪聲和慢變隨機(jī)函數(shù)的疊加,受此影響,在積分的過程中,必然會(huì)引進(jìn)累計(jì)誤差,積分時(shí)間越長,誤差就越大。這時(shí)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(shí),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(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,加速度傳感器輸出的可信度就要下降,因?yàn)樗鼫y量的是重力和外力的合力。

目前,無人機(jī)在應(yīng)用中的較常見算法,就是利用互補(bǔ)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(jī)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(shí)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(shí)際上受設(shè)計(jì)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(gè)指標(biāo)尤為重要,因?yàn)轱w行器中的馬達(dá)一般會(huì)帶來較強(qiáng)烈的振動(dòng),一旦減震控制不好,就會(huì)在飛行過程中產(chǎn)生很大的加速度,那勢必會(huì)帶來陀螺儀輸出的變化,進(jìn)而引起角度變化,馬達(dá)就會(huì)誤動(dòng)作,最后帶給用戶的直觀感覺就是飛行器飛得不穩(wěn)。


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(yùn)算和判斷下達(dá)指令,由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作和飛行姿態(tài)調(diào)整。


控可以理解成無人機(jī)的CPU系統(tǒng),是無人機(jī)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(gè)部位發(fā)送指令,并且接收各部件傳回的信息,運(yùn)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?yàn)樗珷C而縮回,并且將此信息傳回給大腦,大腦會(huì)根據(jù)實(shí)際情況重新發(fā)送新的指令。


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