飞机传感器原理讲解

一、姿态

1、角速度计

角速度计直接输出角速度,通过对角速度积分,得到转的角度。z轴的角速度可以计算出飞机的机头朝向,x轴和y轴的角速度可以计算出飞机的倾角,积分累积会导致误差越来越大,比如说以为转了45度,结果才转到三十度或者七十度,所以不能只靠角速度计确定飞机朝向倾斜

2、加速度计

加速度计输出的是比力在各个方向的分力。飞机悬停或静止时,比力等于重力;飞机不再悬停或静止时,比例等于重力+飞机对传感器的推力。通过比力在X、Y、Z轴上面的分力,可以计算出倾角的tan,用arctan计算出飞机的倾角,这个倾角不像角速度计会随着积分累积误差。

加速度计测的是比力,它分不清重力和推力,只有重力部分计算出来的,才是真正的姿态角。飞机被风吹动,整个过程中飞机水平状态没有倾斜,然后在x轴或y轴上会有加速度,此时飞控会进行姿态校准,可飞机并没有倾斜(也可以用手推模拟这风吹),这种纠正明显是错的,所以也不能仅靠这一项确定飞机的倾斜

二、朝向

磁力计还是要搭配角速度计进行综合的朝向判断的。

3、磁力计

角速度计对角速度进行积分算出来的角度(机头朝向),会随着时间的推移,把误差放得越来越大,磁力计则是通过测地球磁场得到绝对机头朝向。

三、定位

4、GPS

通过测卫星信号之间的时间差来得到经纬度 ,是绝对的准确,精度低,仅能以米级为单位实现悬停,换句话说,你如果给飞机设置了定点悬停的情况下,它会在几米的一个区域来回漂移,但不会离这个区域很远;

5、光流计

光流计测的是角速度(像素速度),类似鼠标原理,能够实现厘米级别的悬停。它是对速度进行积分得到位移,积分累积会导致误差越来越大,比如计算出的位移是10米,但实际上可能只动了5米,也可能动了20米,这种误差会导致飞机错误的纠正。

四、定高

6、气压计

气压计测的是大气压力,通过大气压力来推算高度。如果飞机贴地很近的情况下,空气被地面反弹,测得压力就不正常了,此时计算出来的就是错误的高度。起大风的时候也是同样的道理。

7、超声波测距

相较于气压计受风的影响,超声波传感器测距测高则显得很精准,但它的距离往往很受限制,只有10到20米,对于需要飞行到上百米高空的无人机来说,明显不够用。

五、校准

当两个传感器测同一个参数,得到了不同的值,系统会以谁的为准呢?比如说加速度计告诉飞机在动,角速度计告诉说飞机没动;或者超声波高速飞机10米高,气压计说20米高?

当两个传感器测量同一参数却给出冲突值时,飞控不会民主投票,也不会随机二选一。它的底层逻辑从来只有一套标准------实时计算每个传感器在当前时刻的"置信度权重",谁可信度高,谁的声音就大。

问题1:

  • 角速度计:响应极快(毫秒级),不怕瞬间冲击,但积分求角度会随时间漂移。

  • 加速度计:无长期漂移,绝对稳定,但响应慢且分不清"重力"还是"外力",高频噪声较大。

  • 规则:动态机动时,角速度计权重更高;稳态悬停时,加速度计权重更高;暴力飞行或大风天:外力(推力/风阻)远大于重力,加速度计方向严重失真,角速度计权重更高。权重的分配不是固定的,而是根据飞行工况实时、连续、平滑地动态调整。

问题2:

  • 低空且超声波有效时(<量程),超声波精度远高于气压计(厘米 vs 米级),且气压计正受地面效应干扰,此时系统给予超声波 极高信任权(90%~95%),气压计仅作缓慢的背景参考。

  • 高空时(超出超声波量程),超声波数据无效,系统将其权重强制归零,完全由气压计兜底定高。

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