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​浅谈四旋翼无人机上的常用传感器及其作用

2020-05-19 09:29 性质:转载 作者: 雨飞工作室 来源: 雨飞工作室
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四旋翼无人机上的常用传感器,主要包括角速度传感器(陀螺仪)、加速度传感器(加速度计)、地磁传感器(数字罗盘)、气压传感器(气压计)等。一、角速度传感器...

四旋翼无人机上的常用传感器,主要包括角速度传感器(陀螺仪)、加速度传感器(加速度计)、地磁传感器(数字罗盘)、气压传感器(气压计)等。

一、角速度传感器(陀螺仪)

角速度传感器应用科里奥利力原理:科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性,在旋转体系中进行直线运动的质点,由于惯性的作用,有沿着原有运动方向继续运动的趋势,但是由于体系本身是旋转的,在经历了一段时间的运动之后,体系中质点的位置会有所变化,而它原有的运动趋势的方向,如果以旋转体系的视角去观察,就会发生一定程度的偏离。当一个质点相对于惯性系做直线运动时,相对于旋转体系,其轨迹是一条曲线。立足于旋转体系,我们认为有一个力驱使质点运动轨迹形成曲线,这个力就是科里奥利力。

角速度传感器的通常被应用于检测物体的移动。例如:一个人朝着一个固定方向在直线前进,从太空来看,这个人其实是以一定的角度在旋转前进。通过检测这个角速度,我们就能够知道物体是否在移动。在四轴飞行器中,通过对不同方向的角速度检测,我们就能够知道飞行器的运动方向。常用的运动方向检测包括X方向、Y方向、Z方向,即通常所说的三轴角速度传感器,也称三轴陀螺仪。

二、加速度传感器(加速度计)

四轴飞行器所用到的加速度传感器也叫重力感应器,用于测量设备相对于水平面的倾斜角度。那么它的测量原理是什么呢?任何地球上的物体都会受到重力的作用。我们先来回顾下重力的计算公式:G=mg。其中的g就是重力加速度,其值是9.8N/kg。一个放置于斜面上的物体所受到的重力可以分解为两个方向:平行于物体的方向和垂直于物体的方向。那么对于斜角是α的物体,重力加速度g可以分解为X方向的sinα和Y方向的cosα,从而可以得到X方向的重力作用Fx=mg.sinα 以及Y方向的重力作用 Fy=mg.cosα。重力感应器把这两个力转化成电压信号,我们通过读取该电压信号,即可以计算中物体的倾斜角度。另外我们必须注意的是,运动中的物体所测量出来的倾斜角度是不准确的,原因是运动中的物体,由于不同角度的加速度的叠加,使得物体各个方向的力不能准确代表由于倾斜所产生的重力,因而使用中要注意到这一点。

或许有人会有疑虑:为什么这个不直接叫重力传感器,而叫加速度传感器呢?实际上加速度传感器能感知各种各样的加速度,而不单单是地球重力加速度。我们在四轴飞行器中把它称作重力传感器是因为我们只需要用对重力加速度进行检测,从而获得四轴飞行器相对于地面的倾斜角度。简单的来说,加速度传感器的制造原理就是把压力转化为电信号。多数加速度传感器都是根据压电效应的原理来工作的。所谓压电效应,即使某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。通过测量这些电荷,并转化为电压信号输出,即完成了加速度传感器的制造。

常用的角速度和加速度传感器合一的模块有MPU6050、MPU6000等。MPU6050是一种非常流行的空间运动传感器芯片,可以获取器件当前的三个加速度分量和三个旋转角速度。由于其体积小巧,功能强大,精度较高,不仅被广泛应用于工业,同时也是航模爱好者的神器,被安装在各类飞行器上驰骋蓝天。MPU6050芯片内自带了一个数据处理子模块DMP,已经内置了滤波算法,在许多应用中使用DMP输出的数据已经能够很好的满足要求。

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