無人機中的傳感器

1、無人機中的傳感器電 子 技 術姿態(tài)位置圖像通信交互超聲波傳感器氣壓計GPS全球定位RTK高精度定位射頻傳感器組攝像頭模組面陣雷達紅外等感光傳感器慣性傳感器： 陀螺儀 加速度計 磁力計攝像頭模組感光掃描器件2.4G通信5G通信433通信GPRS、4G模塊語音識別模塊蜂鳴器、LED等無人機傳感器組成慣性傳感器 MEMS即微電子機械系統。它可將機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統集成為一個整體單元的微型系統。這種微電子機械系統不僅能夠采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據外部的指令采取行動。 慣性傳感器主要是檢測和測量加速度、傾斜、沖擊、振動、旋轉和多自由度(DoF)運動，

2、是解決導航、定向和運動載體控制的重要部件。 無人機中常見的MEMS慣性傳感器有： 加速度計、陀螺儀、磁力計等，其中所有的數據都是沿著X、Y、Z三個軸向檢測而來。陀螺儀 陀螺儀（如圖所示）是用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置。利用其他原理制成的角運動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。 陀螺儀的原理就是，一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。人們根據這個道理，用它來保持方向，制造出來的東西就叫做陀螺儀。陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉起來，一般能達到每分鐘幾十萬轉，可以工作很長時間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并

3、自動將數據信號傳給控制系統。在現實生活中，陀螺儀發(fā)生的進給運動是在重力力矩的作用下發(fā)生的。陀螺儀校準消除角速度漂移的方法：靜止放置后，取100次數據進行平滑濾波處理作為3個軸的Offset。根據陀螺儀對應數據手冊中的偏置、噪聲和比例因子誤差建立陀螺儀的簡單特性模型，進行誤差公式計算，采集校準數據完成精確校準。陀螺儀校準前：陀螺儀校準后：陀螺儀計算傾角 陀螺儀可以測量角速度,具有高動態(tài)特性,但是它是一個間接測量器件,它測量的是角度的導數：角速度。顯然我們要將角速度對時間積分才能得到角度，如下公式所示： 看到積分馬上就能發(fā)現一個致命的問題積分誤差,積分誤差的來源主要有兩個： 1. 一個是積分時間，

4、很難得到一個準確的時間，積分時間 dt越小，輸出角度越準。 2. 一個是器件本身的誤差，積分之后會累計?？偨Y： 動態(tài)測量性能較好，但是有累計誤差。例程見：Gyro_GetAngles文件加速度計 加速度計是測量運載體線加速度的儀表。在飛機控制系統中，加速度是重要的動態(tài)特征校準元件。在慣性導航系統中，高精度的加速度計是最基本的敏感元件之一。在各類飛行器的飛行試驗中，加速度計是研究飛行器運動狀態(tài)的重要工具。 很多時候大家都會被加速度計的名字給誤導了，準確來說它測的不是加速度，它檢測的是它受到的慣性力(包括重力)。加速度計計算傾角 加速度計測量的是物體的加速度，我們知道重力加速度是一個物體受重力作用

5、的情況下所具有的加速度。當物體處于靜止狀態(tài)時，加速度計測量出來的值就等于重力加速度 1g, 約等于9.8 米每平方秒。重力加速度 g 的方向總是豎直向下的，通過獲得重力加速度在其X軸，Y軸上的分量，我們可以計算出物體相對于水平面的傾斜角度。加速度計特點 當系統在三維空間做變速運動時，它的輸出為軸向的加速度和重力加速度的分量，這就不能準確用于計算物體的姿態(tài)和運動狀態(tài)。 靜態(tài)時，加速度計計算的東北天傾角比較準確；而動態(tài)時，傾角的誤差就很大，跟隨性也較差。 只靠加速度傳感器來估計自己的姿態(tài)是很危險而不可取的，所以在姿態(tài)計算中我們一般采用陀螺儀的動態(tài)數據為主體，而加速度計起到修正陀螺儀積分誤差的作用。

6、例程見：Acc_GetAngles文件磁力計 磁力計，可用于測試磁場強度和方向，定位設備的方位，磁力計的原理跟指南針原理類似，可以測量出當前設備與東南西北四個方向上的夾角。 地球的磁場像一個條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點處磁場和當地的水平面垂直，在赤道磁場和當地的水平面平行，所以在北半球磁場方向傾斜指向地面。用來衡量磁感應強度大小的單位是Tesla或者Gauss（1Tesla=10000Gauss）。隨著地理位置的不同，通常地磁場的強度是0.4-0.6 Gauss。 地磁場是一個矢量，對于一個固定的地點來說，這個矢量可以被分解為兩個與當地水平面平行的分量和一個與當地水平面垂直的分量。

7、如果保持電子羅盤和當地的水平面平行，那么羅盤中磁力計的三個軸就和這三個分量對應起來。磁力計校準Xoffset=（Xmax+Xmin）/2Yoffset=（Ymax+Ymin）/2Zoffset=（Zmax+Zmin）/2第一步：水平放置，繞 Z 軸旋轉 360 度，采集磁力計 X 軸和 Y 軸的最大最小值。第二步：X 軸與水平面垂直放置，繞 X 軸旋轉 360 度，采集磁力計 Z 軸的最大值和最小值。第三步：8 字校準法，在空中任意方位做 8 字晃動，原則上盡量多的讓設備法線方向指向空間的所有 8 個象限，直到校準值達到穩(wěn)定不變時，結束磁校準保存磁標定值。磁校準的目的是保持當地環(huán)境下的磁心準確

8、，來獲得準確的磁場數據。磁力計計算方位角水平時：X=X原始-XoffsetY=Y原始-YoffsetZ=Z原始-Zoffset方位角=arctanY/XXh=X*cos()+Y*sin()*sin()-Z*cos()*sin()Yh=Y*cos()+Z*sin()考慮到角度的4 個象限，航向角的計算公式如下：for(Xh0,Yh0,Yh0)=180-arctan(Yh/Xh)*180/for(Xh=0,Yh0)=90傾斜時：橫滾角（）Roll 以及俯仰角（）Pitch例程見：Mag_GetYaw文件位置傳感器 無人機除了需要掌握自身的姿態(tài)以外，還需要較為準確的絕對位置或相對位置信息去完成懸停、

9、尋跡追蹤、巡航等任務。常見位置傳感器：超聲波傳感器氣壓計GPS全球定位RTK高精度定位射頻傳感器組攝像頭模組面陣雷達紅外等感光傳感器等超聲波傳感器工作頻率： 40KHz感應角度一般為： =30短距離測量范圍一般為： 2CM450CM測量精度： 0.3CM 1%聲音在空氣中的傳播速度大約是340m/s，是指聲音在15空氣中的傳播速度。聲速隨溫度的升高而增大，溫度每增高1，聲音在空氣中每秒傳播的距離約增加0.6m。關系式 ： v=340(1+0.6t)m/s特點： 適合室內平整環(huán)境使用，且需要角度補償和減震措施。超聲波模塊測距即距離值為：(高電平時間*340m/s)/2超聲波數據的濾波改進的中位值

10、平均濾波第一種：連續(xù)出現過小的數據2.31 2.32 2.26 1.25 1.22 1.31 2.31 2.28 其中1.20 1.21 1.21三組為出錯數據第二種：連續(xù)出現過大的數據2.32 3.40 3.45 3.48 2.31 2.24 2.33 2.32 其中3.40 3.45 3.48三組為出錯數據1.對采樣的樣本進行排序2.記錄每個數據的原先和排序后的序號3.對排序后的數據兩兩做差4.尋找出誤差突變最大（超過變化閾值）的2個數據原始序號5.取突變前和突變后序號的數據進行平均值濾波超聲波定位（1）利用3面垂直的墻壁進行定位，要求墻面平整，中間不能有障礙。（2）在空間某些位置放置發(fā)射

11、端，利用散射角，接收主體計算出到每個發(fā)射端的距離后，進行坐標轉換。點越多越準確，但是計算復雜。超聲波定位示例設主體坐標(x,y,z)到三個發(fā)射點的距離分別為L1、L2、L3。超聲波室內定位難點1. 需要準確的航向信息和航向控制。2. 需要實時地對場地坐標系、無人機載體坐標系和東北天坐 標系進行轉換。3. 在航向發(fā)生偏轉時，對控制量（Pitch和Roll）關于場地坐標系（X軸和Y軸）進行分解。氣壓計 BMP180/085 MS5611氣壓范圍： 300 . 1100hPa 10 . 1200mbar (+9000m . -500m)誤 差： 0.17m 0.1m轉換時間： 7.5ms （max）

12、 9.04ms （max）1Kpa=10百帕=7.5毫米汞柱=7.5mmhg1Bar=0.1MPa=1000mba=1000hpa=75mmhg=1個大氣壓硬件上，氣壓計數據容易受溫度和氣流影響，有安裝要求（放置泡沫棉于傳感器上方）。軟件上，可以用卡爾曼濾波對高度信息進行處理。氣壓計數據處理方法位置估計算法（通過加速度來估計補償高度）卡爾曼濾波詳細對比試驗見Git上的氣壓計數據融合例程例程見：IIC_MS5611全球定位1、美國的GPS系統（全球）2、俄羅斯GLONASS系統3、中國北斗（亞洲）4、歐洲伽利略Ublox-GPS模塊NEO-M8 模塊數據1、GPS數據有效位 V (數據無效) o

13、r A ( 數據有效) 2、經緯度 轉換為坐標軸的相對距離 Xnow= (lat2 - lat1)*110946.0Ynow= (lon2 - lon1)* cos(lat2 + lat1)/2)* 0.0174532925)*111318.03、地速 1節(jié) = 1海里/小時 = 0.514米/秒4、航向5、衛(wèi)星數目 012顆GPS數據分析與定位無人機戶外位置控制（速度和位置）地速（不準）經緯度轉坐標信息（會飄）加速度與位置信息融合的速度加速度與位置信息融合的位置卡爾曼濾波或位置估計算法關鍵點： 1. 要有準確的航向信息和航向控制。 2. 載體坐標系與東北天坐標系的轉換。 3. 無頭模式下，需

14、要實時通訊遙控器和無人機之間的航向信息。 4. GPS精度不高，室外定位會有輕微的漂移。例程見：DMA_GPS高精度RTK厘米級定位支持信號： BDS、GPS、GNSS等輸出格式： NMEA-0183定位精度： 平面1cm、高程2cm更新速率： 1Hz、5Hz（高速1020Hz）作業(yè)距離： 3公里通訊方式： 藍牙4.0、WiFi、3G優(yōu)勢：定位精度高且穩(wěn)定性強，適用于農業(yè)高精度植保、巡檢等場合。RTK高精度定位First. 路徑規(guī)劃Second. 無人機編隊UWB （脈沖無線電）原理UWB 的測距原理是什么？ 雙向飛行時間法（TW-TOF, two way-time of flight）每個模塊從啟動開始即會生成一條獨立的時間戳。模塊 A 的發(fā)射機在其時間戳上的 Ta1 發(fā)射請求性質的脈沖信號，模塊 B 在 Tb2 時刻發(fā)射一個響應性質的信號，被模塊 A 在自己的時間戳 Ta2 時刻接收。 以此可以計算出脈沖信號在兩個模塊之間的飛行時間，從而確定飛行距離 S。S=C* (Ta2-Ta1)-(Tb2-Tb1)(C 為光速)障礙物干擾！UWB定位UWB 定位的原理是什么？1) 距離 = 光速 * 時間差 / 2；XY 平面，3 個圓，能夠確定一個點；2)