近两年,伴随传感器技术的发展,消费电子产品领域逐渐成为行业热门。除了火热的可穿戴设备外,无人机在最近两年的发展势头也不可小觑。而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。
加速传感器是测量空间中各方向加速度的。它利用一个“重力块”的惯性,传感器在运动的时候,“重力块”会对X、Y、Z方向(前后左右上下)产生压力,再利用一种压电晶体,把这种压力转换成电信号,随着运动的变化,各方向压力不同,电信号也在变化,从而判断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。 例如,安装在60度横滚角飞机上的三轴加速度计会测得2G的垂直加速度值,而事实上飞机相对地区表面是60度的倾角。因此,单独使用加速度计无法使飞机保 持一个固定的航向。
陀螺仪测量机体围绕某个轴向的旋转角速率值。使用陀螺仪测量飞机机体轴向的旋转角速率时,如果飞机在旋转,测得的值为非零值,飞机不旋转时,测量的值为零。因此,在60度横滚角的飞机上的陀螺仪测得的横滚角速率值为零,同样在飞机做水平直线飞行时,角速率值为零。可以通过角速率值的时间积分来估计当前的横滚角度,前提是没有误差的累积。陀螺仪测量的值会随时间漂移,经过几分钟甚至几秒钟定会累积出额外的误差来,而最终会导致对飞机当前相对水平 面横滚角度完全错误的认知。因此,单独使用陀螺仪也无法保持飞机的特定航向。
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。