MEMS陀螺儀需組合其他傳感器使用 歐拉角和四元數表述飛行姿態

MEMS陀螺儀需組合其他傳感器使用 歐拉角和四元數表述飛行姿態

來源：華強電子網 作者：徐志平 時間：2015-11-04 09:04

　　據了解，無人機的飛控系統主要包括以下幾部分：陀螺儀、加速計、磁場感應、GPS模塊以及控制電路，其主要的功能是自動保持飛機的正常飛行姿態。飛控系統直接決定了無人機在飛行過程中的穩定性、可靠性、可控性和安全性，MEMS陀螺儀作為其中的一部分，大部分受訪者都表示MEMS陀螺儀有望成為無人機飛控系統中陀螺儀的標配，那麼，首先來看看MEMS陀螺儀對比其他的陀螺儀有何優勢。

　　王懿總結道：「MEMS陀螺儀優勢在於：(1)降低飛行器成本，促進市場應用蓬勃發展;(2)減少了無人機的重量，降低了功耗，提升了飛行時間;(3)通過MEMS技術集成更多傳感器，有利於實現姿態的精確控制。不足之處：相比光纖陀螺儀、雷射陀螺儀，MEMS陀螺儀的零漂和精度較差。」

　　金良認為，MEMS陀螺儀優勢明顯，但也存在一定局限性。「MEMS陀螺儀能使無人機的姿態和導航更加穩定和準確，同時，其功耗也更低。而且 MEMS陀螺儀成本的也在不斷降低，尺寸越來越小，而動態範圍則在擴大。整體而言，傳感器更小且集成的軸數越多，則更有利於無人機的姿態感知，當然，也有不足之處比如說速度還不夠快，精度也不夠高，而且最大的測量範圍也存在著一定的局限性。」

　　金良所述MEMS陀螺儀的局限性，主要礙於目前MEMS技術水平。但這些都無法影響到MEMS陀螺儀在無人機飛控系統中用來實現飛行器的平衡控制和輔助導航的其重要地位。

　　據深圳市大谷科技有限公司(以下簡稱「大谷科技」)CEO彭茂根表示，在各種無人機中，無論是軍用無人機、民用中型無人機，個人小型航拍無人機，無人機飛行控制系統是其核心，在實現可靠控制的同時，穩定靈活也是衡量一款無人機是否成功的標誌之一。為了實現穩定控制和靈活的飛行，無人機必須集成包括陀螺儀、加速度計、傾斜傳感器、空速傳感器、氣壓高度計等多種傳感器，在飛行過程中利用協處理器對其姿態進行精確調節和控制，其中陀螺儀起到了很大的作用。

　　據王懿介紹，飛控系統是無人機上所有用來傳遞操縱指令，驅動舵面運動的所有部件和裝置的總和。飛控系統主要由機載部分和地面控制站兩個部分組成，其中，機載部分主要包括傳感器、舵機和飛行控制器。飛控系統是整個無人機機載設備的核心組成部分，飛控系統能否正常工作，直接影響著無人機飛行的各種性能和飛行安全。

　　「在飛控系統中，主要採用MEMS陀螺儀測量飛行過程中的俯仰角和滾轉角，但一般需要配合MEMS加速度計，因為每種傳感器都有一定的局限性。」王懿解釋道，「例如，MEMS陀螺儀測量的是角速度，要通過積分才能獲得角度。在積分的過程中，由於零漂影響，必然會引進累計誤差，積分時間越長，誤差就越大。那麼，這就需要採用另一種MEMS傳感器來校正MEMS陀螺儀。由於MEMS加速度計沒有積分誤差，所以在相對靜止的條件下可以校正MEMS 陀螺儀的誤差。隨著MEMS技術不斷成熟，目前MEMS陀螺儀和加速度計已經集成在一起，通常稱為6軸組合傳感器。在此涉及的關鍵技術包括硬體(6軸組合傳感器)和軟體(濾波算法、姿態/導航算法等)兩部分。」

　　謝志峰也認為MEMS陀螺儀會與其他傳感器配合使用：「無人機會至少配置『陀螺儀+加速度計』六軸傳感器組合，高端無人機會配置『陀螺儀+加速度計+磁傳感器』九軸傳感器組合，併集成六軸/九軸的數據融合/姿態穩定算法。」實際除了加速度計外，還有磁力計和GPS輔助校正。

　　金良同樣稱，MEMS陀螺儀必須與其他傳感器進行數據融合，由於MEMS陀螺儀並不能提供絕對的基準，因此，如何從帶有噪聲的MEMS陀螺儀數據中獲取更為準確的穩定的實時姿態信息成為目前飛控系統需突破的重點。陀螺儀長時間工作會產生漂移和積分誤差，加速度短時間響應不夠快的話就會收到外界的幹擾，因此，一般將陀螺儀和加速計集成在一起配合使用，當然，也有分開使用的，然後由飛控軟體對兩者進行互補。

　　當然也有特例，上海深迪半導體有限公司(以下簡稱「深迪」)市場副總監黃巖提出了自己的看法，他認為，如果MEMS陀螺儀的零偏不穩定性指標低至一定程度的話，比如低於0.1deg/h，那麼MEMS陀螺儀則完全可以單獨使用，並且這一指標的MEMS陀螺儀還可以取代磁傳感器，通過測量地球自轉來尋北。

　　至於MEMS陀螺儀是如何與其他傳感器配合使用實現平衡控制和輔助導航，金良詳細的向記者解釋道：「比如說，三軸加速度和三軸陀螺儀(角速度) 並發傳送給單片機或DSP處理，然後由單片機或DSP進行姿態解算(如四元數)，求解出當前飛機的pitch、roll及yaw三個角度值，再根據這三個角度經過PID控制運算，輸出四路PWM控制四個電機(對四軸無人機而言)的加減速從而達到無人機的平衡懸停狀態。」

　　金良還強調，因為MEMS陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運動的角速度，並與MEMS加速度計(加速計)形成優勢互補，組合使用加速度計和陀螺儀兩種傳感器，就能更好的跟蹤並捕捉三維空間的完整運動，在沒有GPS或GPS數據更新的空隙間，則由陀螺儀和加速度計組合來輔助導航。

　　據王懿介紹，一個系統的獨立控制量輸入維數如果小於這個系統的自由度，那麼這個系統就稱為欠驅動系統。四軸無人機有四個獨立的輸入，即由四個獨立電機帶動的螺旋槳，同時機身具有六個自由度的變化，因此四軸無人機是一種典型的欠驅動系統。針對四軸無人機的控制算法，效果比較好的有線性二次型最優控制、反步控制、PID控制、滑模控制等。

　　王懿還解釋了MEMS陀螺儀是如何實現平衡控制的。「四軸無人機在空中飛行時，飛行器的飛行方向與飛行速度都是通過飛行器的傾角決定的，飛行器朝哪個方向傾斜飛行器就會向哪個方向飛行，傾斜角越大飛行速度越快。通過調節各個螺旋槳的轉速即可調節無人機的飛行姿態。」他說。

　　在無人機飛控系統中，當MEMS陀螺儀配合加速度計使用之時，不能缺少算法。據趙延輝介紹，目前最常用的算法就是互補濾波，卡爾曼濾波和捷聯慣導，簡單的說就是利用MEMS陀螺儀，加速度計和磁力計等傳感器融合，在不同的場景下，採用不同的權重算出俯仰角、滾轉角、航向角的變化，再通過PID控制來實現平衡控制。

　　精準的輸出值才能更加精確的表述出無人機的飛行狀態。據金良介紹，無人機飛行狀況輸出值有四元素、歐拉角、方向餘弦矩陣三個，其中四元素的優勢在於方便計算差值，但遺憾的是很難直接表示旋轉，而方向餘弦矩陣的係數太多，因此很難插值;歐拉角雖然相對而言表達更加簡單，不過，其存在萬向鎖的問題。

　　王懿也介紹了飛行姿態的表述方式：「對四軸無人機姿態進行控制，首先要對姿態進行表述，目前常用的姿態表述有歐拉角和四元數表示兩種方式，歐拉角表示比較直觀但是在進行旋轉矩陣計算時計算量較大，而四元數表示法則克服了這一缺點。其次要對姿態進行檢測，姿態檢測主要是將MEMS陀螺儀、MEMS 加速度計等傳感器對角速度、加速度的測量值轉化成初步的估計姿態，再經過濾波算法進行數據融合。最後是選用合適的控制算法對姿態進行控制。」

　　從上述內容可知MEMS陀螺儀對無人機而言不可或缺，與其他傳感器組合使用才能更加準確的表述無人機的飛行姿態，那麼，對於四軸、六軸、八軸等多軸無人機而言，採取幾顆MEMS陀螺儀更好呢?是否是翼越多使用的MEMS陀螺儀就越多?

　　對此問題，據王懿解釋稱，多軸無人機一般採用一顆三軸MEMS陀螺儀，主要任務是姿態檢測和導航控制。如果搭載雲臺用於航拍，那麼也可以在雲臺上採用一顆MEMS陀螺儀，用於攝像機的圖像穩定拍攝。在多軸無人機中，並不是機翼越多採用的MEMS陀螺儀就越多。

　　深圳智航無人機有限公司(以下簡稱「智航無人機」)董事長金良

　　金良也認為，一般而言，無人機中是採取一顆MEMS陀螺儀，不過個別的使用兩顆。以保證飛機在三個軸上的穩定。飛控軟體會協調好這些。飛機上使用幾個陀螺儀幾乎跟機翼個數沒有關係。一般多軸只使用一顆三軸陀螺儀。比如我們最新的產品Mirage幻影無人機就採用了一顆三軸陀螺儀。

　　趙延輝也向記者解釋：「一般最少採用一顆，來做機身的平穩控制和輔助導航。也有採用兩顆的，一個做機身的平穩控制和輔助導航，一個做相機架的平穩控制。當然出於不同的考慮，還有更多的，比如不同應用場景下，啟動不同量程的陀螺儀。還有通過舉手表決算法來提高系統可靠性的，這時一個軸向上可能就需要3-5顆陀螺儀。」

　　MEMS陀螺儀所測量的是無人機的角速度，但由於MEMS陀螺儀的輸出值需要通過積分才能獲取角度，因此需要加速度傳感器有效的對其進行校正。但是，儘管如此，當無人機處於飛行狀態下的時候，加速度傳感器的精確性有所降低，原因在於其所測量的是重力和外力的合力，因此，降低無人機的震動強度，將可以增加MEMS陀螺儀和加速度傳感器的輸出值的精確度。（責編：張哲）

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