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加速度傳感器和陀螺儀如何讓無人機飛得更穩(wěn)
來源:互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)表于 2020/6/5

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

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。

目前,無人機在應用中的較常見算法,就是利用互補濾波,即結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角速度變化,但實際上受設計和工藝的限制,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。對于多軸飛行器的應用來說,這個指標尤為重要,因為飛行器中的馬達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,進而引起角度變化,馬達就會誤動作,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指令,由執(zhí)行機構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。


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