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MEMS陀螺仪需组合其他传感器使用 欧拉角和四元数表述飞行姿态

发布时间:2019-06-26 14:20 来源:未知 编辑:admin

  据了解,无人机的飞控系统主要包括以下几部分:陀螺仪、加速计、磁场感应、GPS模块以及控制电路,其主要的功能是自动保持飞机的正常飞行姿态。飞控系统直接决定了无人机在飞行过程中的稳定性、可靠性、可控性和安全性,MEMS陀螺仪作为其中的一部分,大部分受访者都表示MEMS陀螺仪有望成为无人机飞控系统中陀螺仪的标配,那么,首先来看看MEMS陀螺仪对比其他的陀螺仪有何优势。

  王懿总结道:“MEMS陀螺仪优势在于:(1)降低飞行器成本,促进市场应用蓬勃发展;(2)减少了无人机的重量,降低了功耗,提升了飞行时间;(3)通过MEMS技术集成更多传感器,有利于实现姿态的精确控制。不足之处:相比光纤陀螺仪、激光陀螺仪,MEMS陀螺仪的零漂和精度较差。”

  金良认为,MEMS陀螺仪优势明显,但也存在一定局限性。“MEMS陀螺仪能使无人机的姿态和导航更加稳定和准确,同时,其功耗也更低。而且 MEMS陀螺仪成本的也在不断降低,尺寸越来越小,而动态范围则在扩大。整体而言,传感器更小且集成的轴数越多,则更有利于无人机的姿态感知,当然,也有不足之处比如说速度还不够快,精度也不够高,而且最大的测量范围也存在着一定的局限性。”

  金良所述MEMS陀螺仪的局限性,主要碍于目前MEMS技术水平。但这些都无法影响到MEMS陀螺仪在无人机飞控系统中用来实现飞行器的平衡控制和辅助导航的其重要地位。

  据深圳市大谷科技有限公司(以下简称“大谷科技”)CEO彭茂根表示,在各种无人机中,无论是军用无人机、民用中型无人机,个人小型航拍无人机,无人机飞行控制系统是其核心,在实现可靠控制的同时,稳定灵活也是衡量一款无人机是否成功的标志之一。为了实现稳定控制和灵活的飞行,无人机必须集成包括陀螺仪、加速度计、倾斜传感器、空速传感器、气压高度计等多种传感器,在飞行过程中利用协处理器对其姿态进行精确调节和控制,其中陀螺仪起到了很大的作用。

  据王懿介绍,飞控系统是无人机上所有用来传递操纵指令,驱动舵面运动的所有部件和装置的总和。飞控系统主要由机载部分和地面控制站两个部分组成,其中,机载部分主要包括传感器、舵机和飞行控制器。飞控系统是整个无人机机载设备的核心组成部分,飞控系统能否正常工作,直接影响着无人机飞行的各种性能和飞行安全。

  “在飞控系统中,主要采用MEMS陀螺仪测量飞行过程中的俯仰角和滚转角,但一般需要配合MEMS加速度计,因为每种传感器都有一定的局限性。”王懿解释道,“例如,MEMS陀螺仪测量的是角速度,要通过积分才能获得角度。在积分的过程中,由于零漂影响,必然会引进累计误差,积分时间越长,误差就越大。那么,这就需要采用另一种MEMS传感器来校正MEMS陀螺仪。由于MEMS加速度计没有积分误差,所以在相对静止的条件下可以校正MEMS 陀螺仪的误差。随着MEMS技术不断成熟,目前MEMS陀螺仪和加速度计已经集成在一起,通常称为6轴组合传感器。在此涉及的关键技术包括硬件(6轴组合传感器)和软件(滤波算法、姿态/导航算法等)两部分。”

  谢志峰也认为MEMS陀螺仪会与其他传感器配合使用:“无人机会至少配置‘陀螺仪+加速度计’六轴传感器组合,高端无人机会配置‘陀螺仪+加速度计+磁传感器’九轴传感器组合,并集成六轴/九轴的数据融合/姿态稳定算法。”实际除了加速度计外,还有磁力计和GPS辅助校正。

  金良同样称,MEMS陀螺仪必须与其他传感器进行数据融合,由于MEMS陀螺仪并不能提供绝对的基准,因此,如何从带有噪声的MEMS陀螺仪数据中获取更为准确的稳定的实时姿态信息成为目前飞控系统需突破的重点。陀螺仪长时间工作会产生漂移和积分误差,加速度短时间响应不够快的话就会收到外界的干扰,因此,一般将陀螺仪和加速计集成在一起配合使用,当然,也有分开使用的,然后由飞控软件对两者进行互补。

  当然也有特例,上海深迪半导体有限公司(以下简称“深迪”)市场副总监黄岩提出了自己的看法,他认为,如果MEMS陀螺仪的零偏不稳定性指标低至一定程度的线deg/h,那么MEMS陀螺仪则完全可以单独使用,并且这一指标的MEMS陀螺仪还可以取代磁传感器,通过测量地球自转来寻北。

  至于MEMS陀螺仪是如何与其他传感器配合使用实现平衡控制和辅助导航,金良详细的向记者解释道:“比如说,三轴加速度和三轴陀螺仪(角速度) 并发传送给单片机或DSP处理,然后由单片机或DSP进行姿态解算(如四元数),求解出当前飞机的pitch、roll及yaw三个角度值,再根据这三个角度经过PID控制运算,输出四路PWM控制四个电机(对四轴无人机而言)的加减速从而达到无人机的平衡悬停状态。”

  金良还强调,因为MEMS陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度,并与MEMS加速度计(加速计)形成优势互补,组合使用加速度计和陀螺仪两种传感器,就能更好的跟踪并捕捉三维空间的完整运动,在没有GPS或GPS数据更新的空隙间,则由陀螺仪和加速度计组合来辅助导航。

  据王懿介绍,一个系统的独立控制量输入维数如果小于这个系统的自由度,那么这个系统就称为欠驱动系统。四轴无人机有四个独立的输入,即由四个独立电机带动的螺旋桨,同时机身具有六个自由度的变化,因此四轴无人机是一种典型的欠驱动系统。针对四轴无人机的控制算法,效果比较好的有线性二次型最优控制、反步控制、PID控制、滑模控制等。

  王懿还解释了MEMS陀螺仪是如何实现平衡控制的。“四轴无人机在空中飞行时,飞行器的飞行方向与飞行速度都是通过飞行器的倾角决定的,飞行器朝哪个方向倾斜飞行器就会向哪个方向飞行,倾斜角越大飞行速度越快。通过调节各个螺旋桨的转速即可调节无人机的飞行姿态。”他说。

  在无人机飞控系统中,当MEMS陀螺仪配合加速度计使用之时,不能缺少算法。据赵延辉介绍,目前最常用的算法就是互补滤波,卡尔曼滤波和捷联惯导,简单的说就是利用MEMS陀螺仪,加速度计和磁力计等传感器融合,在不同的场景下,采用不同的权重算出俯仰角、滚转角、航向角的变化,再通过PID控制来实现平衡控制。

  精准的输出值才能更加精确的表述出无人机的飞行状态。据金良介绍,无人机飞行状况输出值有四元素、欧拉角、方向余弦矩阵三个,其中四元素的优势在于方便计算差值,但遗憾的是很难直接表示旋转,而方向余弦矩阵的系数太多,因此很难插值;欧拉角虽然相对而言表达更加简单,不过,其存在万向锁的问题。

  王懿也介绍了飞行姿态的表述方式:“对四轴无人机姿态进行控制,首先要对姿态进行表述,目前常用的姿态表述有欧拉角和四元数表示两种方式,欧拉角表示比较直观但是在进行旋转矩阵计算时计算量较大,而四元数表示法则克服了这一缺点。其次要对姿态进行检测,姿态检测主要是将MEMS陀螺仪、MEMS 加速度计等传感器对角速度、加速度的测量值转化成初步的估计姿态,再经过滤波算法进行数据融合。最后是选用合适的控制算法对姿态进行控制。”

  从上述内容可知MEMS陀螺仪对无人机而言不可或缺,与其他传感器组合使用才能更加准确的表述无人机的飞行姿态,那么,对于四轴、六轴、八轴等多轴无人机而言,采取几颗MEMS陀螺仪更好呢?是否是翼越多使用的MEMS陀螺仪就越多?

  对此问题,据王懿解释称,多轴无人机一般采用一颗三轴MEMS陀螺仪,主要任务是姿态检测和导航控制。如果搭载云台用于航拍,那么也可以在云台上采用一颗MEMS陀螺仪,用于摄像机的图像稳定拍摄。在多轴无人机中,并不是机翼越多采用的MEMS陀螺仪就越多。

  金良也认为,一般而言,无人机中是采取一颗MEMS陀螺仪,不过个别的使用两颗。以保证飞机在三个轴上的稳定。飞控软件会协调好这些。飞机上使用几个陀螺仪几乎跟机翼个数没有关系。一般多轴只使用一颗三轴陀螺仪。比如我们最新的产品Mirage幻影无人机就采用了一颗三轴陀螺仪。

  赵延辉也向记者解释:“一般最少采用一颗,来做机身的平稳控制和辅助导航。也有采用两颗的,一个做机身的平稳控制和辅助导航,一个做相机架的平稳控制。当然出于不同的考虑,还有更多的,比如不同应用场景下,启动不同量程的陀螺仪。还有通过举手表决算法来提高系统可靠性的,这时一个轴向上可能就需要3-5颗陀螺仪。”

  MEMS陀螺仪所测量的是无人机的角速度,但由于MEMS陀螺仪的输出值需要通过积分才能获取角度,因此需要加速度传感器有效的对其进行校正。但是,尽管如此,当无人机处于飞行状态下的时候,加速度传感器的精确性有所降低,原因在于其所测量的是重力和外力的合力,因此,降低无人机的震动强度,将可以增加MEMS陀螺仪和加速度传感器的输出值的精确度。(责编:张哲)

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