加速度传感器和陀螺仪在无人机飞的应用

在无人飞行器的飞机姿态控制这一重要应用上，以MEMS加速度传感器、MEMS陀螺仪为主的传感类硬件的应用可谓是大放异彩。

无人飞行器资料图

在无人机飞行姿态控制中，通常在用MEMS传感器测量角度的变化时，一般都要选择组合式的传感器。也就是说，既不能单纯地依赖加速度传感器，也不能单纯依赖陀螺仪。为什么呢？

究其原因，这是由每种传感器自身的局限性所决定的。

例如，陀螺仪输出的是角速度，要通过积分才能获得角度，但是即使在零输入状态时，陀螺仪仍是有输出的，它的输出是白噪声和慢变随机函数的叠加，受此影响，在积分的过程中，必然会引进累计误差，积分时间越长，误差就越大。这时候，便需要加速度传感器的加入，利用加速度传感器来对陀螺仪进行校正。

由于加速度传感器可以利用力的分解原理，通过重力加速度在不同轴向上的分量来判断倾角。同时，它没有积分误差，所以加速度传感器在相对静止的条件下，可以有效校正陀螺仪的误差。但在运动状态下，加速度传感器输出的可信度就要下降，因为它测量的是重力和外力的合力。

多轴无人飞行器资料图

目前，无人机在应用中的较常见算法，就是利用互补滤波，即结合加速度传感器和陀螺仪的输出，来算出角度变化。

另外，无人机应用的环境决定了它所使用的MEMS传感器必须适用于各种恶劣条件，同时获得高精度的输出。

例如，陀螺仪的理想输出是只响应角速度变化，但实际上受设计和工艺的限制，陀螺仪对加速度也是敏感的，就是我们在陀螺仪数据手册上常见的deg/sec/g的指标。对于多轴飞行器的应用来说，这个指标尤为重要，因为飞行器中的马达一般会带来较强烈的振动，一旦减震控制不好，就会在飞行过程中产生很大的加速度，那势必会带来陀螺仪输出的变化，进而引起角度变化，马达就会误动作，最后带给用户的直观感觉就是飞行器飞得不稳。

飞控是什么？

飞行控制系统（Flight control system）简称飞控，可以看作飞行器的大脑。多轴飞行器的飞行、悬停，姿态变化等等都是由多种传感器将飞行器本身的姿态数据传回飞控，再由飞控通过运算和判断下达指令，由执行机构完成动作和飞行姿态调整。

控可以理解成无人机的CPU系统，是无人机的核心部件，其功能主要是发送各种指令，并且处理各部件传回的数据。类似于人体的大脑，对身体各个部位发送指令，并且接收各部件传回的信息，运算后发出新的指令。例如，大脑指挥手去拿一杯水，手触碰到杯壁后，因为水太烫而缩回，并且将此信息传回给大脑，大脑会根据实际情况重新发送新的指令。

无人机的飞行原理及控制方法（以四旋翼无人机为例）

四旋翼无人机一般是由检测模块，控制模块，执行模块以及供电模块组成。检测模块实现对当前姿态进行量测；执行模块则是对当前姿态进行解算，优化控制，并对执行模块产生相对应的控制量；供电模块对整个系统进行供电。

四旋翼无人机机身是由对称的十字形刚体结构构成，材料多采用质量轻、强度高的碳素纤维；在十字形结构的四个端点分别安装一个由两片桨叶组成的旋翼为飞行器提供飞行动力，每个旋翼均安装在一个电机转子上，通过控制电机的转动状态控制每个旋翼的转速，来提供不同的升力以实现各种姿态；每个电机均又与电机驱动部件、中央控制单元相连接，通过中央控制单元提供的控制信号来调节转速大小；IMU惯性测量单元为中央控制单元提供姿态解算的数据，机身上的检测模块为无人机提供了解自身位姿情况最直接的数据，为四旋翼无人机最终实现复杂环境下的自主飞行提供了保障。

现将位于四旋翼机身同一对角线上的旋翼归为一组，前后端的旋翼沿顺时针方向旋转，从而可以产生顺时针方向的扭矩；而左右端旋翼沿逆时针方向旋转，从而产生逆时针方向的扭矩，如此四个旋翼旋转所产生的扭矩便可相互之间抵消掉。由此可知，四旋翼飞行器的所有姿态和位置的控制都是通过调节四个驱动电机的速度实现的。一般来说，四旋翼无人机的运动状态主要分为悬停、垂直运动、滚动运动、俯仰运动以及偏航运动五种状态。

悬停

悬停状态是四旋翼无人机具有的一个显著的特点。在悬停状态下，四个旋翼具有相等的转速，产生的上升合力正好与自身重力相等，即。并且因为旋翼转速大小相等，前后端转速和左右端转速方向相反，从而使得飞行器总扭矩为零，使得飞行器静止在空中，实现悬停状态。

垂直运动

垂直运动是五种运动状态中较为简单的一种，在保证四旋翼无人机每个旋转速度大小相等的倩况下，同时对每个旋翼增加或减小大小相等的转速，便可实现飞行器的垂直运动。当同时増加四个旋翼转速时，使得旋翼产生的总升力大小超过四旋翼无人机的重力时，即，四旋翼无人机便会垂直上升；反之，当同时减小旋翼转速时，使得每个旋翼产生的总升力小于自身重力时，即，四旋翼无人机便会垂直下降，从而实现四旋翼无人机的垂直升降控制。

翻滚运动

翻滚运动是在保持四旋翼无人机前后端旋翼转速不变的情况下，通过改变左右端的旋翼转速，使得左右旋翼之间形成一定的升力差，从而使得沿飞行器机体左右对称轴上产生一定力矩，导致在方向上产生角加速度实现控制的。如图2.3所示，增加旋翼1的转速，减小旋翼3的转速，则飞行器倾斜于右侧飞行；相反，减小旋翼４，增加旋翼２，则飞行器向左倾斜飞行。

俯仰运动

四旋翼飞行器的俯仰运动和滚动运动相似，是在保持机身左右端旋翼转速不变的前提下，通过改变前后端旋翼转速形成前后旋翼升力差，从而在机身前后端对称轴上形成一定力矩，引起角方向上的角加速度实现控制的。如图2.4所示，增加旋翼３的转速，减小旋翼１的转速，则飞行器向前倾斜飞行；反之，则飞行器向后倾斜。

偏航运动

四旋翼的偏转运动是通过同时两两控制四个旋翼转速实现控制的。保持前后端或左右端旋翼转速相同时，其便不会发生俯仰或滚动运动；而当每组内的两个旋翼与另一组旋翼转速不同时，由于两组旋翼旋转方向不同，便会导致反扭矩力的不平衡，此时便会产生绕机身中心轴的反作用力，引起沿角角加速度。如图2.3所示，当前后端旋翼的转速相等并大于左右端旋翼转速时，因为前者沿顺时针方向旋转，后者相反，总的反扭矩沿逆时针方向，反作用力作用在机身中心轴上沿逆时针方向，引起逆时针偏航运动；反之，则会引起飞行器的顺时针偏航运动。

综上所述，四旋翼无人机的各个飞行状态的控制是通过控制对称的四个旋翼的转速，形成相应不同的运动组合实现的。但是在飞行过程中却有六个自由度输出，因此它是一种典型的欠驱动，强耦合的非线性系统。例如，旋翼1的转速会导致无人机向左翻滚，同时逆时针转动的力矩会大于顺时针的力矩，从而进一步使得无人机向左偏航，此外翻滚又会导致无人机的向左平移，可以看出，四旋翼无人机的姿态和平动是耦合的。

四旋翼无人机自主飞行的控制

四旋翼无人机的精确航迹跟踪是实现无人机自主飞行的基本要求。由于四旋翼无人机自身存在姿态与平动的耦合关系以及模型参数不确定性与外界扰动，因此只有实现姿态的稳定控制才能完成航迹的有效跟踪。

在四旋翼无人机的自主控制系统中，姿态稳定控制是实现飞行器自主飞行的基础。其任务是控制四旋翼无人机的三个姿态角（俯仰角、滚转角、偏航角）稳定地跟踪期望姿态信号，并保证闭环姿态系统具有期望的动态特性。由于四旋翼无人机姿态与平动的耦合特点，分析可以得知，只有保证姿态达到稳定控制，才使得旋翼总升力在期望的方向上产生分量，进而控制飞行器沿期望的航迹方向飞行。而四旋翼无人机的姿态在实际飞行环境中回受到外界干扰和不精确模型的参数误差、测量噪声等未建模动态对控制效果的影响。所以，需要引入适当的观测器和控制器对总的不确定性进行估计和补偿，并对其估计的误差进行补偿，来保证四旋翼无人机在外界存在干扰下对姿态的有效跟踪。

四旋翼无人机的姿态控制应根据其实际的工作特性以及动力学模型，进而针对姿态的三个通道（俯仰，翻滚和偏航）分别设计姿态控制器，每个通道中都对应引入相应的控制器，其流程如下所示。

此方法可以基本保证每个通道的实际姿态值跟踪上期望值。但是，在只考虑对模型本身进行控制时，没有考虑到外部不确定性对闭环系统的影响。微小型无人机在飞行时，由于机体较小，电机的振动较强，很容易受到外界环境的干扰。因此，整个通道中必然存在不确定因素，比如模型误差、环境干扰、观测误差等，这些不确定性将降低系统的闭环性能。所以在设计无人机控制系统时，必须要考虑系统的抗干扰性能，即闭环系统的鲁棒性。因此需要设计一定的干扰补偿器对干扰进行逼近和补偿，以实现姿态角的稳定跟踪。

只有在保证飞机姿态可以保持稳定才能进一步讨论如何控制路径保持稳定，在时间尺度上进行分析，飞机的姿态角变化的频率要大于飞机位置的频率。所以，针对轨迹跟踪应当使用内外双环控制，内环控制姿态角，外环控制位置。

IMU惯性测量单元

现在的飞控内部使用的都是由三轴陀螺仪，三轴加速度计，三轴地磁传感器和气压计组成的一个IMU，也称惯性测量单元。那么什么是三轴陀螺仪，什么是三轴加速度计，什么是三轴地磁传感器呢，什么是气压计呢？它们在飞机上起到的是什么作用呢，这三轴又是哪三个轴呢？

三轴陀螺仪，三轴加速度计，三轴地磁传感器中的三轴指的就是飞机左右，前后垂直方向上下这三个轴，一般都用XYZ来代表。左右方向在飞机中叫做横滚，前后方向在飞机中叫做俯仰，垂直方向就是Z轴。陀螺都知道，小时候基本上都玩过，在不转动的情况下它很难站在地上，只有转动起来了，它才会站立在地上，或者说自行车，轮子越大越重的车子就越稳定，转弯的时候明显能够感觉到一股阻力，这就是陀螺效应，根据陀螺效应，聪明的人们发明出的陀螺仪。最早的陀螺仪是一个高速旋转的陀螺，通过三个灵活的轴将这个陀螺固定在一个框架中，无论外部框架怎么转动，中间高速旋转的陀螺始终保持一个姿态。通过三个轴上的传感器就能够计算出外部框架旋转的度数等数据。

由于成本高，机械结构的复杂，现在都被电子陀螺仪代替，电子陀螺仪的优势就是成本低，体积小重量轻，只有几克重，稳定性还有精度都比机械陀螺高。说道这，大家也就明白陀螺仪在飞控中起到的作用了吧，它就是测量XYZ三个轴的倾角的。

那么三轴加速度计时干什么的呢？刚刚说道三轴陀螺仪就是XYZ三个轴，现在不用说也就明白三轴加速度计也是XYZ三个轴。当我们开车起步的一瞬间就会感到背后有一股推力，这股推力呢就是加速度，加速度是速度变化量与发生这一变化时间的比值，是描述物体变化快慢的物理量，米每二次方秒，例如一辆车在停止状态下，它的加速度是0，起步后，从每秒0米到每秒10米，用时10秒，这就是这辆车的加速度，如果车速每秒10米的速度行驶，它的加速度就是0，同样，用10秒的时间减速，从每秒10米减速到每秒5米，那么它的加速就是负数。三轴加速度计就是测量飞机XYZ三个轴的加速度。

我们日常出行都是根据路标或记忆来寻找自己的面向的，地磁传感器就是感知地磁的，就是一个电子指南针，它可以让飞机知道自己的飞行朝向，机头朝向，找到任务位置和家的位置。气压计呢就是测量当前位置的大气压，都知道高度越高，气压越低，这就是人到高原之后为什么会有高原反应了，气压计是通过测量不同位置的气压，计算压差获得到当前的高度，这就是整个IMU惯性测量单元，它在飞机中起到的作用就是感知飞机姿态的变化，例如飞机当前是前倾还是左右倾斜，机头朝向、高度等最基本的姿态数据，那么这些数据在飞控中起到的作用是什么呢？

飞控最基本的功能控制一架飞机在空中飞行时的平衡，是由IMU测量，感知飞机当前的倾角数据通过编译器编译成电子信号，将这个信号通过信号新时时传输给飞控内部的单片机，单片机负责的是运算，根据飞机当前的数据，计算出一个补偿方向，补偿角，然后将这个补偿数据编译成电子信号，传输给舵机或电机，电机或舵机在去执行命令，完成补偿动作，然后传感器感知到飞机平稳了，将实时数据再次给单片机，单片机会停止补偿信号，这就形成了一个循环，大部分飞控基本上都是10HZ的内循环，也就是1秒刷新十次。

这就是飞控最基本的功能，如果没有此功能，当一个角一旦倾斜，那么飞机就会快速的失去平衡导致坠机，或者说没有气压计测量不到自己的高度位置就会一直加油门或者一直降油门。其次，固定翼飞控还有空速传感器，空速传感器一般位于机翼上或机头，但不会在螺旋桨后边，空速传感器就是两路测量气压的传感器，一路测量静止气压，一路测量迎风气压，在计算迎风气压与静止气压的压差就可以算出当前的空气流速。

有了最基本的平衡、定高和指南针等功能，还不足以让一家飞机能够自主导航，就像我们去某个商场一样，首先我们需要知道商场的所在位置，知道自己所在的位置，然后根据交通情况规划路线。飞控也亦然，首先飞控需要知道自己所在位置，那就需要定位的，也就是我们常说的GPS，现在定位的有GPS、北斗、手机网络等定位系统，但是这里面手机网络定位是最差的，误差好的话几十米，不好的话上千米，这种误差是飞控无法接受的，由于GPS定位系统较早，在加上是开放的，所以大部分飞控采用的都是GPS，也有少数采用的北斗定位。精度基本都在3米内，一般开阔地都是50厘米左右，因环境干扰，或建筑物、树木之类的遮挡，定位可能会差，很有可能定位的是虚假信号。这也就是为什么民用无人机频频坠机、飞丢的一个主要原因

加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山？还是在走下坡，摔倒了没有？或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。更要确保的是，你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。一个好的程序员能够使用加速度传感器来回答所有上述问题。加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动。
通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。但是刚开始的时候，你会发现光测量倾角和加速度好像不是很有用。但是，现在工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。

有些笔记本电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。

加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。

加速度传感器工作原理

线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A（加速度）=F（惯性力）/M（质量）我们只需要测量F就可以了。怎么测量F？用电磁力去平衡这个力就可以了。就可以得到 F对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就行了。当然中间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。

现代科技要求加速度传感器廉价、性能优越、易于大批量生产。在诸如军工、空间系统、科学测量等领域，需要使用体积小、重量轻、性能稳定的加速度传感器。以传统加工方法制造的加速度传感器难以全面满足这些要求。于是应用新兴的微机械加工技术制作的微加速度传感器应运而生。这种传感器体积小、重量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化。而且，由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产，它的性能价格比很高。可以预见在不久的将来，它将在加速度传感器市场中占主导地位。

微加速度传感器有压阻式、压电式、电容式等形式。

压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。

压电式加速传感器的结构如图所示。在两块表面镀银的压电晶片(石英晶体或压电 陶瓷)间夹1片金属薄片，并引出输出信号的引线。在压电晶片上放置1块质量块，并用硬弹 簧对压电元件施加预压缩载荷。静态预载荷的大小应远大于传感器在振动、冲击测试中可能 承受的最大动应力。这样，当传感器向上运动时，质量块产生的惯性力使压电元件上的压应力 增加；反之，当传感器向下运动时，压电元件的压应力减小，从而输出与加速度成正比例的电 信号。

传感器整个组件装在一个原基座上，并用金属壳体加以封罩。为了隔离试件的任何应变 传递到压电元件上去，基座尺寸较大。测试时传感器的基座与测试件刚性连接。当测试件的振动频率远低于传感器的谐振频率时，传感器输出电荷(或电压)与测试件的加速度成正比，经电荷放大器或电压放大器即可测出加速度。

应变压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥，其结构动态模型仍然是弹簧质量系统。现代微加工制造技术的发展使压阻形式敏感芯体的设计具有很大的灵活性以适合各种不同的测量要求。在灵敏度和量程方面，从低灵敏度高量程的冲击测量，到直流高灵敏度的低频测量都有压阻形式的加速度传感器。同时压阻式加速度传感器测量频率范围也可从直流信号到具有刚度高，测量频率范围到几十千赫兹的高频测量。超小型化的设计也是压阻式传感器的一个亮点。需要指出的是尽管压阻敏感芯体的设计和应用具有很大灵活性，但对某个特定设计的压阻式芯体而言其使用范围一般要小于压电型传感器。压阻式加速度传感器的另一缺点是受温度的影响较大，实用的传感器一般都需要进行温度补偿。在价格方面，大批量使用的压阻式传感器成本价具有很大的市场竞争力，但对特殊使用的敏感芯体制造成本将远高于压电型加速度传感器。

电容型加速度传感器的结构形式一般也采用弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。电容式加速度计与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小；但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。在实际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，且成本也比压电式加速度传感器高得多。

加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。

目前，大部分设备都提供了可以检测各个方向的加速度传感器。以iOS设备为例，我们利用了其三轴加速度传感器（x,y,z轴代表方向如图）的特性来分析。分别用以检测人步行中三个方向的加速度变化。

三轴加速度传感器示意图

用户在水平步行运动中，垂直和前进两个加速度会呈现周期性变化，如图所示。在步行收脚的动作中，由于重心向上单只脚触地，垂直方向加速度是呈正向增加的趋势，之后继续向前，重心下移两脚触底，加速度相反。水平加速度在收脚时减小，在迈步时增加。

反映到图表中，可以看到，在步行运动中，垂直和前进产生的加速度与时间大致为一个正弦曲线，而且在某点有一个峰值。其中，垂直方向的加速度变化最大，通过对轨迹的峰值进行检测计算和加速度阀值决策，即可实时计算用户运动的步数，还可依此进一步估算用户步行距离。

计步的合理算法

因为用户在运动中可能用手平持设备，或者将设备置于口袋中。所以，设备的放置方向不定。为此，通过计算三个加速度的矢量长度，我们可以获得一条步行运动的正弦曲线轨迹。

第二步是峰值检测，我们记录了上次矢量长度和运动方向，通过矢量长度的变化，可以判断目前加速度的方向，并和上一次保存的加速度方向进行比较。如果是相反的，即是刚过峰值状态，则进入计步逻辑进行计步，否则舍弃。通过对峰值的次数累加，可得到用户步行的步伐。

最后，就是去干扰。手持设备会有一些低幅度和快速的抽动状态，或是我们俗称的手抖，或者某个恶作剧用户想通过短时快速反复摇动设备来模拟人走路，这些干扰数据如果不剔除，会影响记步的准确值，对于这种干扰，我们可以通过给检测加上阀值和步频判断来过滤。

陀螺仪原理

陀螺仪是用来测量角速率的器件，在加速度功能基础上，可以进一步发展，构建陀螺仪。