无人机结构与系统课件：传感器

无人机航电系统传感器飞行控制系统概述第一节传感器第二节舵机第三节导航系统第二节4.2传感器无人机“大脑”是（）。无人机“电五官”是（）。4.2.1陀螺仪陀螺仪就是角速度传感器，是利用陀螺效应原理制造出来用来测量物体角速度的一种传感器。1850年，法国物理学家莱昂·傅科在研究地球自传中获得灵感而发明出来陀螺仪。机械陀螺仪、光纤陀螺仪、激光陀螺仪、微机械陀螺仪。4.2传感器1.传统陀螺仪传统陀螺仪是一种机械装置，主要由旋转轴、转子和支架等组成，如图4-14所示。(1)陀螺转子常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动陀螺转子绕自转轴高速旋转。(2)支架（内、外环）使陀螺自转轴获得所需角转动自由度。(3)附件是指力矩马达、信号传感器等。4.2.1陀螺仪4.2.1陀螺仪1.传统陀螺仪

2.微机械陀螺仪微机械陀螺仪即MEMS陀螺仪（图4-16），MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems）是指集机械元素、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。4.2.1陀螺仪MEMS陀螺仪主要特点有：1)体积小、重量轻，其边长都小于1mm，器件核心的重量仅为1.2mg。2)成本低。3)可靠性好，工作寿命超过10万h，能承受1000g的冲击。4)测量范围大。4.2传感器4.2.2加速度计加速度计又称为加速度传感器（AccelerationTransducer）是一种测量加速度的传感器。种类繁多，20世纪40年代初，德国人研制了世界上第一个摆式加速计。随后出现挠性、静电、振梁式、电磁等加速度计。80年代开始，先后出现了光纤、激光、微机械（MEMS）等加速度计。三轴MEMS加速度传感器分为压阻式、压电式和电容式三种类型。4.2.2加速度计1.压电式加速度计结构组成压电式加速度计根据用途分为多种结构，其中最常见的一类为纵向压缩型结构，其他压电加速度计都是在压缩型的基础上改装而来的。压缩型压电加速度计主要由是压电元件、质量块、弹性元件等组成，如图4-17所示。4.2.2加速度计2.工作原理压电效应：工作原理：市场上产品较多，无人机上多数采用飞思卡尔（Freescale）公司生产性价比高的微型电容式加速度计MMA7260或者美国模拟器件公司（ADI）生产的加速度计ADXL系列。4.2.3磁力计1.工作原理磁力计（Magnetic、M-Sensor）也叫地磁、磁感器，是利用通电导线在磁场中产生的洛仑兹力来检测磁场强度的大小的传感器。磁力计的原理跟指南针原理类似，可用来测量磁场强度和方向、定位设备的方位及当前设备与东南西北四个方向上的夹角。4.2传感器

MEMS谐振式磁力计具有灵敏度及分辨力高，驱动和检测方法成熟，且能够满足弱磁场的检测等特点而被广泛的应用。无人机采用磁力计来检测三个轴向的地球磁场数据，计算出当前的飞行方向。常用的电子罗盘是LSM303DLH,

将加速计、磁力计、A/D转化器及信号条理电路集成在一起，通过I2C总线和处理器通信。这样只用一颗芯片就实现了6轴的数据检测和输出，降低了设计难度，减小了PCB板的占用面积，降低了元件成本。4.2.3磁力计2.磁场干扰及校准磁场干扰是指由于具有磁性物质或者可以影响局部磁场强度的物质存在，使得磁传感器所放置位置上的地球磁场发生了偏差。磁场干扰分为硬磁干扰和软磁干扰。地球磁场在只有0.5高斯，而一个普通的手机喇叭当相距2厘米时仍会有大约4高斯的磁场，一个手机马达在相距2厘米时会有大约6高斯的磁场。常用的校准方法有平面校准方法和立体8字校准方法。(1)平面校准方法将配备有磁力计的设备在XY平面内自转。(2)立体8字校准方法4.2.3磁力计

PID控制算法控制的不是机架水平，而是加速度计水平，PID不知道机架是什么东西，它只认加速度计，它的使命就是让加速度计水平。我现在假设加速度计与机架存在某个角度，比如右倾30°，四轴主视图如图所示。加速度计(红线)与四轴机架的水平面(虚线)呈30°。起飞后，PID控制算法会尝试将加速度计调整至水平位置，因此四轴就会往图中左边飘，倾斜角度也为30°。这就是为什么飞机无法垂直起飞，或者飞行过程中往一个方向飘的原因：加速度计和机架没有水平。因此在加速度计的机械安装时，尽量保证加速度计与机架水平。众所周知，惯性传感器的精度会随着时间的增长而降低，因为存在飘移，误差会积累，精度降低，从而使无人机的状态变化失去控制。所以在实际应用中，除了使用