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科普知識
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加速度傳感器

加速度傳感器和陀螺儀在無人機固定航向中為何缺一不可?

發布日期:2022-10-09 點擊率:105


近兩年,伴隨傳感器技術的發展,消費電子產品領域逐漸成為行業熱門。除了火熱的可穿戴設備外,無人機在最近兩年的發展勢頭也不可小覷。而在無人飛行器的飛機姿態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。

 

加速傳感器是測量空間中各方向加速度的。它利用一個“重力塊”的慣性,傳感器在運動的時候,“重力塊”會對X、Y、Z方向(前后左右上下)產生壓力,再利用一種壓電晶體,把這種壓力轉換成電信號,隨著運動的變化,各方向壓力不同,電信號也在變化,從而判斷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。 例如,安裝在60度橫滾角飛機上的三軸加速度計會測得2G的垂直加速度值,而事實上飛機相對地區表面是60度的傾角。因此,單獨使用加速度計無法使飛機保 持一個固定的航向。

 

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陀螺儀測量機體圍繞某個軸向的旋轉角速率值。使用陀螺儀測量飛機機體軸向的旋轉角速率時,如果飛機在旋轉,測得的值為非零值,飛機不旋轉時,測量的值為零。因此,在60度橫滾角的飛機上的陀螺儀測得的橫滾角速率值為零,同樣在飛機做水平直線飛行時,角速率值為零。可以通過角速率值的時間積分來估計當前的橫滾角度,前提是沒有誤差的累積。陀螺儀測量的值會隨時間漂移,經過幾分鐘甚至幾秒鐘定會累積出額外的誤差來,而最終會導致對飛機當前相對水平 面橫滾角度完全錯誤的認知。因此,單獨使用陀螺儀也無法保持飛機的特定航向。

 

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。




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