無人機結構與系統(tǒng)課件：傳感器

無人機航電系統(tǒng)傳感器飛行控制系統(tǒng)概述第一節(jié)傳感器第二節(jié)舵機第三節(jié)導航系統(tǒng)第二節(jié)4.2傳感器無人機“大腦”是（）。無人機“電五官”是（）。4.2.1陀螺儀陀螺儀就是角速度傳感器，是利用陀螺效應原理制造出來用來測量物體角速度的一種傳感器。1850年，法國物理學家萊昂·傅科在研究地球自傳中獲得靈感而發(fā)明出來陀螺儀。機械陀螺儀、光纖陀螺儀、激光陀螺儀、微機械陀螺儀。4.2傳感器1.傳統(tǒng)陀螺儀傳統(tǒng)陀螺儀是一種機械裝置，主要由旋轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子和支架等組成，如圖4-14所示。(1)陀螺轉(zhuǎn)子常采用同步電機、磁滯電機、三相交流電機等拖動陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)。(2)支架（內(nèi)、外環(huán)）使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動自由度。(3)附件是指力矩馬達、信號傳感器等。4.2.1陀螺儀4.2.1陀螺儀1.傳統(tǒng)陀螺儀

2.微機械陀螺儀微機械陀螺儀即MEMS陀螺儀（圖4-16），MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems）是指集機械元素、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機電系統(tǒng)。4.2.1陀螺儀MEMS陀螺儀主要特點有：1)體積小、重量輕，其邊長都小于1mm，器件核心的重量僅為1.2mg。2)成本低。3)可靠性好，工作壽命超過10萬h，能承受1000g的沖擊。4)測量范圍大。4.2傳感器4.2.2加速度計加速度計又稱為加速度傳感器（AccelerationTransducer）是一種測量加速度的傳感器。種類繁多，20世紀40年代初，德國人研制了世界上第一個擺式加速計。隨后出現(xiàn)撓性、靜電、振梁式、電磁等加速度計。80年代開始，先后出現(xiàn)了光纖、激光、微機械（MEMS）等加速度計。三軸MEMS加速度傳感器分為壓阻式、壓電式和電容式三種類型。4.2.2加速度計1.壓電式加速度計結構組成壓電式加速度計根據(jù)用途分為多種結構，其中最常見的一類為縱向壓縮型結構，其他壓電加速度計都是在壓縮型的基礎上改裝而來的。壓縮型壓電加速度計主要由是壓電元件、質(zhì)量塊、彈性元件等組成，如圖4-17所示。4.2.2加速度計2.工作原理壓電效應：工作原理：市場上產(chǎn)品較多，無人機上多數(shù)采用飛思卡爾（Freescale）公司生產(chǎn)性價比高的微型電容式加速度計MMA7260或者美國模擬器件公司（ADI）生產(chǎn)的加速度計ADXL系列。4.2.3磁力計1.工作原理磁力計（Magnetic、M-Sensor）也叫地磁、磁感器，是利用通電導線在磁場中產(chǎn)生的洛侖茲力來檢測磁場強度的大小的傳感器。磁力計的原理跟指南針原理類似，可用來測量磁場強度和方向、定位設備的方位及當前設備與東南西北四個方向上的夾角。4.2傳感器

MEMS諧振式磁力計具有靈敏度及分辨力高，驅(qū)動和檢測方法成熟，且能夠滿足弱磁場的檢測等特點而被廣泛的應用。無人機采用磁力計來檢測三個軸向的地球磁場數(shù)據(jù)，計算出當前的飛行方向。常用的電子羅盤是LSM303DLH,

將加速計、磁力計、A/D轉(zhuǎn)化器及信號條理電路集成在一起，通過I2C總線和處理器通信。這樣只用一顆芯片就實現(xiàn)了6軸的數(shù)據(jù)檢測和輸出，降低了設計難度，減小了PCB板的占用面積，降低了元件成本。4.2.3磁力計2.磁場干擾及校準磁場干擾是指由于具有磁性物質(zhì)或者可以影響局部磁場強度的物質(zhì)存在，使得磁傳感器所放置位置上的地球磁場發(fā)生了偏差。磁場干擾分為硬磁干擾和軟磁干擾。地球磁場在只有0.5高斯，而一個普通的手機喇叭當相距2厘米時仍會有大約4高斯的磁場，一個手機馬達在相距2厘米時會有大約6高斯的磁場。常用的校準方法有平面校準方法和立體8字校準方法。(1)平面校準方法將配備有磁力計的設備在XY平面內(nèi)自轉(zhuǎn)。(2)立體8字校準方法4.2.3磁力計

PID控制算法控制的不是機架水平，而是加速度計水平，PID不知道機架是什么東西，它只認加速度計，它的使命就是讓加速度計水平。我現(xiàn)在假設加速度計與機架存在某個角度，比如右傾30°，四軸主視圖如圖所示。加速度計(紅線)與四軸機架的水平面(虛線)呈30°。起飛后，PID控制算法會嘗試將加速度計調(diào)整至水平位置，因此四軸就會往圖中左邊飄，傾斜角度也為30°。這就是為什么飛機無法垂直起飛，或者飛行過程中往一個方向飄的原因：加速度計和機架沒有水平。因此在加速度計的機械安裝時，盡量保證加速度計與機架水平。眾所周知，慣性傳感器的精度會隨著時間的增長而降低，因為存在飄移，誤差會積累，精度降低，從而使無人機的狀態(tài)變化失去控制。所以在實際應用中，除了使用