四轴飞行器传感器介绍

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1、转帖自圆点博士的四轴飞行器设计贴，其中加入部分个人的分析和意见，目的是给大家普及一下四轴的基础硬件知识，希望对正在进行四轴设计的朋友们有所帮助。如有错误，欢迎批评指正。传感器之一：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

2、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。举个例子，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，我们就能够只物体是否在移动。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3轴陀螺仪。传感器之二：四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

3、对于水平面的倾斜角度。那么它的测量原理是什么呢？我们知道，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9.8牛每千克。根据我们中学所学的物理知识可以知道，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@的物体，重力加速度g可以分解为X方向的sin@和Y方向的cos@，从而可以得到X方向的重力作用Fx=mg.sin@以及Y方向的重力作用Fy=mg.cos@.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

4、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。初学者可能有个疑虑，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性各种各样的加速度，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

5、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，目前已经某宝已经有串口的MPU6050模块了。传感器之三：地磁传感器，即数字罗盘，我们都知道它是用来确定方向的。它利用地磁场来定北极，其基本原理和我们熟知的指南针差不多。三维地磁传感器通过给出在X轴，Y轴和Z轴上的地磁力投

6、影，可以提供活动物体的航向角、俯仰角和横滚角，从而可以确定物体的姿态，实际上就是确定了物体坐标系与地理坐标系之间的方位关系。不过在实际应用中，需要注意周围物体所产生出来的磁场对传感器造成的干扰。传感器之四：气压传感器，用于测量物体所在平面的高度。气压是由地表空气的重力所产生的。海拔高的地方，地表的空气厚度小，气压低；海拔低的地方，地表的空气厚度大，气压高。通过测量所在地的大气压值，与标准值比较，就可以获得物体所在位置的高度。这就是气压高度计的基本测量原理。在实际应用中，需要结合温度等对测量结果进行修正。四轴飞行器传感器之总汇：

7、在上面的各个章节中，分别介绍了角速度传感器，加速度传感器，地磁传感器和气压传感器。除了气压传感器外，余下的三个传感器均能提供X,Y,Z三轴的测量数据，综合在一起，可以称做10轴传感器。我们知道，传感器是根据大自然的现象进行测量的一种器件。为了方便大家更好理解各个传感器的功能，我们总结如下：1）加速度传感器：利用了地球万有引力，把重力加速度投影到X,Y,Z轴上，测量出物体的姿势。2）地磁传感器：利用了地球南北极的磁场所产生的吸力，并投影到X,Y,Z轴上，测量出物体的方位和姿态。3）角速度传感器：利用旋转物体的旋转轴所指的方向在不

8、受外力影响时的不变性，测量外力对物体的影响。跟地球万有引力和地球南北极的磁力具有固定方向性不同，旋转物体的旋转轴方向是不确定的，因而角速度传感器只能用来测量位置改变，而无法像加速度传感器和地磁传感器那样，测量出物体的绝对角度和姿势。我们必须要注意，角速度传感器输出的角速度是瞬