陀螺仪、加速度计讲解

测量四轴倾角和倾角加速度可以通过加速度传感器和陀螺仪来实现。
（1）加速度传感器
加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。该传感器采用了半导体表面微机械加工和集成电路技术即我们常听到的MEMS，传感器体积小，重量轻。它的基本原理如图所示。


通过微机械加工技术在硅片上加工形成了一个机械悬臂。它与相邻的电极形成了两个电容。由于加速度使得机械悬臂与两个电极之间的距离发生变化，从而改变了两个电容的参数。通过集成的开关电容放大电路量测电容参数的变化，形成了与加速度成正比
的电压输出。可以同时输出三个方向上的加速度模拟信号，如图：


我们需要测量三个方向上的角度，不过在这里以一个方向为例。只要求得一个方向上的加速度值，就可以计算出该轴的倾角，比如使用Z 轴方向上的加速度信号。四轴平放时直立时，固定加速度器在Z 轴竖直方向，此时输出信号为零偏
电压信号。当四轴发生倾斜时，重力加速度g 便会在Z 轴方向形成加速度分量，从而引起该轴输出电压变化。变化的规律为
Δu=kgsinθ
式中， g 为重力加速度；θ为四轴倾角； k 为比例系数。当倾角θ比较小的时候，输出电压的变化可以近似与倾角成正比。似乎只需要加速度就可以获得四轴的倾角，再对此信号进行微分便可以获得倾角加速度。但在实际四轴飞行过程中，由于四轴本身的运动所产生的加速度会产生很大的干扰信号叠加在上述测量信号上，使得输出信号无法准确反映四轴的倾角，如图所示

四轴运动引起加速度计信号波动
四轴运动产生的振动加速度使得输出电压在实际倾角电压附近波动，可以通过数据平滑滤波将其滤除。但是平滑滤波也会使得信号无法实时反映四轴倾角的变化，从而减缓对于四轴的电机控制，使得四轴无法保持平衡。因此对于四轴平衡控制所需要的倾角信息需要通过另外一种器件获得，那就是角速度传感器-陀螺仪。
（2）角速度传感器-陀螺仪
陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。MPU6050内部带有三轴陀螺仪，也可以使用三个分立的单轴陀螺仪如ENC-03来替代。它利用了旋转坐标系中的物体会受到克里利奥力的原理，在器件中利用压电陶瓷做成振动单元。当旋转器件时会改变振动频率从而反映出物体旋转的角速度。

在四轴上安装陀螺仪，可以测量四轴倾斜的角速度，将角速度信号进行积分便可以得到四轴的倾角。

由于陀螺仪输出的是四轴的角速度，不会受到四轴振动影响。因此该信号中噪声很小。四轴的角度又是通过对角速度积分而得，这可进一步平滑信号，从而使得角度信号更加稳定。因此四轴控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺仪所得到的信号。由于从陀螺仪的角速度获得角度信息，需要经过积分运算。如果角速度信号存在微小的偏差，经过积分运算之后，变化形成积累误差。这个误差会随着时间延长逐步增加，最终导致电路饱和，无法形成正确的角度信号，如图所示。
角度积分漂移
如何消除这个累积误差呢？
可以通过上面的加速度传感器获得的角度信息对此进行校正，如下图所示。

角度积分漂移校正
利用加速度计所获得的角度信息 θg 与陀螺仪积分后的角度θ 进行比较，将比较的误差信号经过比例Tg 放大之后与陀螺仪输出的角速度信号叠加之后再进行积分。从图中的框图可以看出，对于加速度计给定的角度θg ，经过比例、积分环节之后产生的角度
θ必然最终等于θg 。由于加速度计获得的角度信息不会存在积累误差，所以最终将输出角度θ中的积累误差消除了。
加速度计所产生的角度信息θg 中会叠加很强的有四轴运动加速度噪声信号。为了避免该信号对于角度θ 的影响，因此比例系数 Tg 应该非常小。这样，加速度的噪声信号经过比例、积分后，在输出角度信息中就会非常小了。由于存在积分环节，所以无论比例
Tg多么小，最终输出角度θ必然与加速度计测量的角度θg相等，只是这个调节过程会随着Tg 的减小而延长。
为了避免输出角度θ 跟着θg过长，可以采取以措施：
在控制电路和程序运行的开始，尽量保持四轴在水平状态，这样一开始就使得输出角度 θ与θg 相等。此后，加速度计的输出只是消除积分的偏移，输出角度不会出现很大的偏差。
（3）电子罗盘


总的来说，加速度计在较长时间的测量值（测量飞行器的角度）是正确的，然而在较短时间内由于信号噪声以及运动方向的加速度存在，会有很大的误差。具体表现为加速度静止不动时值很稳定，但是移动起来数据波动很大。陀螺仪测得的是角速度，在较短时间内则比较准确，而较长时间则会有积分漂移产生误差。因此，刚才所说需要两者（相互调整）融合来确保姿态角的正确。
但是即使使用了两者，也只可以用于测得飞机的俯仰和横滚角度。对于偏航角度，由于偏航角和重力方向正交，无法用加速度计测量得到。（加速度计是根据测某方向重力加速度分量与重力加速度的关系来求得角度）这意味着在这个维度上没有一个可靠的长期值来矫正陀螺仪的值，而只用陀螺仪测的角度会存在积分漂移的问题！因此还需要采用其他设备来校准测量偏航角度的陀螺仪的漂移值。校准的设备可以使用磁罗盘计（电子磁罗盘，对磁场变化和惯性力敏感）或者GPS。GPS数据更新较慢（1Hz到10Hz），并且短时间内存在误差。所以用GPS只能长时间的在地面跟踪较为稳定和慢速的飞行器，如果需要矫正航向我们就只有使用电子罗盘了。（当然也存在着不需要矫正的情况，我这里就没矫正，使用陀螺仪积分的角度来凑合）
三维磁阻传感器（电子罗盘）用来测量地球磁场，倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补偿；MCU处理磁力仪和倾角传感器的信号以及数据输出和软铁、硬铁补偿。该磁力仪是采用三个互相垂直的磁阻传感器，每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。可以把它简单理解成一个指南针，无论在哪里你都能找到南方，然后根据就可以知道飞机的机头偏离南方多少度角来锁定航向。