加速度計及其在小型無人機飛行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：簡述加速度計結(jié)構(gòu)原理和加速度計在無人機飛行控制系統(tǒng)中的作用。第一部分介紹加速度計的基本原理；第二部分結(jié)合無人機的飛控系統(tǒng)介紹加速度計的功能。
關(guān)鍵詞:加速度計 慣性導(dǎo)航 無人機飛控

一、 加速度計及其結(jié)構(gòu)原理介紹

1、 基本原理
已知系統(tǒng)內(nèi)部的初速度和加速度，能夠通過積分關(guān)系得出線速度和直線位移。
加速度計的核心結(jié)構(gòu)是彈簧阻尼系統(tǒng)，系統(tǒng)中的位移通過電容在外部表現(xiàn)為輸出電壓。而由前所述，以位移和加速度的確定關(guān)系為媒介，能夠通過輸出電壓獲得加速度。

圖一：

加速度計的結(jié)構(gòu)模型如圖所示:它采用物體-彈簧-阻尼器系統(tǒng)來感應(yīng)加速度。當(dāng)加速度計連同物體(該物體的加速度就是待測的加速度)一起做加速運動時,物體就受到慣性力的作用向相反的方向運動。物體發(fā)生的位移受到彈簧和阻尼器的限制,顯然該位移與外界加速度具有一一對應(yīng)的關(guān)系:外界加速度固定時,物體具有確定的位移;外界加速度變化時(只要變化不是很快),物體的位移也發(fā)生相應(yīng)的變化。另一方面,當(dāng)物體發(fā)生位移時,感應(yīng)器之間的電容就會發(fā)生相應(yīng)的變化;如果測得感應(yīng)器輸出電壓的變化,就等同于測得了物體的位移。既然物體的位移與待測加速度具有確定的一一對應(yīng)關(guān)系,那么輸出電壓與外界加速度也就有了確定的關(guān)系,即通過輸出電壓就能測出加速度的數(shù)值。

2、 加速度計的種類
目前的及速度計主要有：
利用電子勢壘隧道效應(yīng)的隧道電流式,即通過輸出電壓就能測出加速度的數(shù)值；
利用電容極板間距變化的電容式，即通過輸出電壓就能測出加速度的數(shù)值；
利用壓敏電阻電阻率變化的壓阻式，壓敏電阻的電阻率變化與質(zhì)量塊的位移有關(guān),其工作原理是將被測加速度轉(zhuǎn)換為硅材料的電阻率變化來進行加速度的測量；
利用壓電材料電壓變化的壓電式，壓敏電阻的電阻率變化與質(zhì)量塊的位移有關(guān),其工作原理是將被測加速度轉(zhuǎn)換為硅材料的電阻率變化來進行加速度的測量。

二、 飛控系統(tǒng)中的加速度計

圖二：

1、 概述
圖一展示了某小型無人機的飛行控制系統(tǒng)，加速度計作為慣性測量單元（IMU）的一部分和陀螺儀一起為、為無人機提供姿態(tài)解算支持。舵機、遙控接收機、IMU、GPS、數(shù)傳電臺、磁羅盤、航燈以及任務(wù)設(shè)備等各單元均通過相應(yīng)接口與飛控計算機直接相連。
2、 飛控系統(tǒng)
無人機飛行控制系統(tǒng)是一個對可靠性與實時性要求極高的多任務(wù)實時控制系統(tǒng)。現(xiàn)代飛控系統(tǒng)為了避免因為主控單元的解算負擔(dān)過重為導(dǎo)致系統(tǒng)實時性下降等問題，普遍采用分布式的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計方案。

基于CAN總線的無人直升機分布式飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)無人直升機飛控系統(tǒng)的實際需求,在保留遙控接收機接口和部分備份串口的的情況下,其他設(shè)備不再各自直接與飛控計算機相連,而是通過將各單元掛接在CAN總線上的方式與飛控計算機進行通信。

圖三：

3、 6050加速度計模塊和姿態(tài)測量
概述
無人機姿態(tài)角分別是俯仰角(Pitch)，橫滾角(Roll)和航向角(Yaw)。MPU6050是InvenSense公司生產(chǎn)的整合性6軸運動處理器件，內(nèi)部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度計。相對于多傳感器融合，還消除了組合陀螺儀與加速度時間軸之差的問題。MPU6050加速度測量范圍最大可達±16g，陀螺儀測量范圍最大每秒可達±2000°，完全滿足無人機姿態(tài)測量需求。微處理器從MPU6050中得到的是數(shù)字信

圖四：

號，不需要額外進行A/D轉(zhuǎn)換，提高了實時性并減小了誤差。MPU6050在外接HMC5883L的情況下，引腳描述如表1所示。MPU6050通過I2C協(xié)議進行通信。
mpu6050的引腳定義如圖4所示：

圖五：

利用加速度計監(jiān)測角度

圖六：

測量傾角最常見的例子是建筑中使用的水平儀，在重力的影響下，水平儀內(nèi)的氣泡能大致反映水柱所在直線與重力方向的夾角關(guān)系，利用T字型水平儀，可以檢測出橫滾角與俯仰角，但是偏航角是無法以這樣的方式檢測的。
在電子設(shè)備中，一般使用加速度傳感器來檢測傾角，它通過檢測器件在各個方向的形變情況而采樣得到受力數(shù)據(jù)，根據(jù)F=ma轉(zhuǎn)換，傳感器直接輸出加速度數(shù)據(jù)，因而被稱為加速度傳感器。由于地球存在重力場，所以重力在任何時刻都會作用于傳感器，當(dāng)傳感器靜止的時候(實際上加速度為0)，傳感器會在該方向檢測出加速度g，不能認為重力方向測出的加速度為g，就表示傳感器在該方向作加速度為g的運動。
當(dāng)傳感器的姿態(tài)不同時，它在自身各個坐標(biāo)軸檢測到的重力加速度是不一樣的，利用各方向的測量結(jié)果，根據(jù)力的分解原理，可求出各個坐標(biāo)軸與重力之間的夾角。
因為重力方向是與地理坐標(biāo)系的"天地"軸固連的，所以通過測量載體坐標(biāo)系各軸與重力方向的夾角即可求得它與地理坐標(biāo)系的角度旋轉(zhuǎn)關(guān)系，從而獲知載體姿態(tài)。
加速度傳感器檢測的缺陷
由于這種傾角檢測方式是利用重力進行檢測的，它無法檢測到偏航角(Yaw)，原理跟T字型水平儀一樣，無論如何設(shè)計水平儀，水泡都無法指示這樣的角度。
另一個缺陷是加速度傳感器并不會區(qū)分重力加速度與外力加速度，當(dāng)物體運動的時候，它也會在運動的方向檢測出加速度，特別在震動的狀態(tài)下，傳感器的數(shù)據(jù)會有非常大的數(shù)據(jù)變化，此時難以反應(yīng)重力的實際值。

三、 結(jié)語

加速度計 (accelerometer) 是測量加速度的儀表。加速度測量是工程技術(shù)提出的重要課題。
加速度計測量加速度的功能在無人機飛行控制中具有重要作用。結(jié)合加速度計和陀螺儀能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的姿態(tài)解算。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的加速度计及其飞控应用的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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