無人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)課件：傳感器

無人機(jī)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(jī)第三節(jié)導(dǎo)航系統(tǒng)第二節(jié)4.2傳感器無人機(jī)“大腦”是（）。無人機(jī)“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(yīng)原理制造出來用來測(cè)量物體角速度的一種傳感器。1850年，法國(guó)物理學(xué)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(jī)械陀螺儀、光纖陀螺儀、激光陀螺儀、微機(jī)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(jī)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(jī)、磁滯電機(jī)、三相交流電機(jī)等拖動(dòng)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(dòng)自由度。(3)附件是指力矩馬達(dá)、信號(hào)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(jī)械陀螺儀微機(jī)械陀螺儀即MEMS陀螺儀（圖4-16），MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems）是指集機(jī)械元素、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)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(jī)電系統(tǒng)。4.2.1陀螺儀MEMS陀螺儀主要特點(diǎn)有：1)體積小、重量輕，其邊長(zhǎng)都小于1mm，器件核心的重量?jī)H為1.2mg。2)成本低。3)可靠性好，工作壽命超過10萬(wàn)h，能承受1000g的沖擊。4)測(cè)量范圍大。4.2傳感器4.2.2加速度計(jì)加速度計(jì)又稱為加速度傳感器（AccelerationTransducer）是一種測(cè)量加速度的傳感器。種類繁多，20世紀(jì)40年代初，德國(guó)人研制了世界上第一個(gè)擺式加速計(jì)。隨后出現(xiàn)撓性、靜電、振梁式、電磁等加速度計(jì)。80年代開始，先后出現(xiàn)了光纖、激光、微機(jī)械（MEMS）等加速度計(jì)。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(jì)1.壓電式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)組成壓電式加速度計(jì)根據(jù)用途分為多種結(jié)構(gòu)，其中最常見的一類為縱向壓縮型結(jié)構(gòu)，其他壓電加速度計(jì)都是在壓縮型的基礎(chǔ)上改裝而來的。壓縮型壓電加速度計(jì)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(jì)2.工作原理壓電效應(yīng)：工作原理：市場(chǎng)上產(chǎn)品較多，無人機(jī)上多數(shù)采用飛思卡爾（Freescale）公司生產(chǎn)性價(jià)比高的微型電容式加速度計(jì)MMA7260或者美國(guó)模擬器件公司（ADI）生產(chǎn)的加速度計(jì)ADXL系列。4.2.3磁力計(jì)1.工作原理磁力計(jì)（Magnetic、M-Sensor）也叫地磁、磁感器，是利用通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的洛侖茲力來檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小的傳感器。磁力計(jì)的原理跟指南針原理類似，可用來測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向、定位設(shè)備的方位及當(dāng)前設(shè)備與東南西北四個(gè)方向上的夾角。4.2傳感器

MEMS諧振式磁力計(jì)具有靈敏度及分辨力高，驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)方法成熟，且能夠滿足弱磁場(chǎng)的檢測(cè)等特點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用。無人機(jī)采用磁力計(jì)來檢測(cè)三個(gè)軸向的地球磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，計(jì)算出當(dāng)前的飛行方向。常用的電子羅盤是LSM303DLH,

將加速計(jì)、磁力計(jì)、A/D轉(zhuǎn)化器及信號(hào)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(shí)現(xiàn)了6軸的數(shù)據(jù)檢測(cè)和輸出，降低了設(shè)計(jì)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(jì)2.磁場(chǎng)干擾及校準(zhǔn)磁場(chǎng)干擾是指由于具有磁性物質(zhì)或者可以影響局部磁場(chǎng)強(qiáng)度的物質(zhì)存在，使得磁傳感器所放置位置上的地球磁場(chǎng)發(fā)生了偏差。磁場(chǎng)干擾分為硬磁干擾和軟磁干擾。地球磁場(chǎng)在只有0.5高斯，而一個(gè)普通的手機(jī)喇叭當(dāng)相距2厘米時(shí)仍會(huì)有大約4高斯的磁場(chǎng)，一個(gè)手機(jī)馬達(dá)在相距2厘米時(shí)會(huì)有大約6高斯的磁場(chǎng)。常用的校準(zhǔn)方法有平面校準(zhǔn)方法和立體8字校準(zhǔn)方法。(1)平面校準(zhǔn)方法將配備有磁力計(jì)的設(shè)備在XY平面內(nèi)自轉(zhuǎn)。(2)立體8字校準(zhǔn)方法4.2.3磁力計(jì)

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