加速度計及其在小型無人機飛行控制系統中的應用

摘 要：簡述加速度計結構原理和加速度計在無人機飛行控制系統中的作用。第一部分介紹加速度計的基本原理；第二部分結合無人機的飛控系統介紹加速度計的功能。
關鍵詞:加速度計 慣性導航 無人機飛控

一、 加速度計及其結構原理介紹

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

圖一：

加速度計的結構模型如圖所示:它采用物體-彈簧-阻尼器系統來感應加速度。當加速度計連同物體(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的關系: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),物體的位移也發生相應的變化。另一方面,當物體發生位移時,感應器之間的電容就會發生相應的變化;如果測得感應器輸出電壓的變化,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關系,那么輸出電壓與外界加速度也就有了確定的關系,即通過輸出電壓就能測出加速度的數值。

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的隧道電流式,即通過輸出電壓就能測出加速度的數值；
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量塊的位移有關,其工作原理是將被測加速度轉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量塊的位移有關,其工作原理是將被測加速度轉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，加速度計作為慣性測量單元（IMU）的一部分和陀螺儀一起為、為無人機提供姿態解算支持。舵機、遙控接收機、IMU、GPS、數傳電臺、磁羅盤、航燈以及任務設備等各單元均通過相應接口與飛控計算機直接相連。
2、 飛控系統
無人機飛行控制系統是一個對可靠性與實時性要求極高的多任務實時控制系統。現代飛控系統為了避免因為主控單元的解算負擔過重為導致系統實時性下降等問題，普遍采用分布式的飛行控制系統設計方案。

基于CAN總線的無人直升機分布式飛行控制系統結構如圖2所示。根據無人直升機飛控系統的實際需求,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測量
概述
無人機姿態角分別是俯仰角(Pitch)，橫滾角(Roll)和航向角(Yaw)。MPU6050是InvenSense公司生產的整合性6軸運動處理器件，內部整合了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測量需求。微處理器從MPU6050中得到的是數字信

圖四：

號，不需要額外進行A/D轉換，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，水平儀內的氣泡能大致反映水柱所在直線與重力方向的夾角關系，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據，根據F=ma轉換，傳感器直接輸出加速度數據，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。
當傳感器的姿態不同時，它在自身各個坐標軸檢測到的重力加速度是不一樣的，利用各方向的測量結果，根據力的分解原理，可求出各個坐標軸與重力之間的夾角。
因為重力方向是與地理坐標系的"天地"軸固連的，所以通過測量載體坐標系各軸與重力方向的夾角即可求得它與地理坐標系的角度旋轉關系，從而獲知載體姿態。
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分重力加速度與外力加速度，當物體運動的時候，它也會在運動的方向檢測出加速度，特別在震動的狀態下，傳感器的數據會有非常大的數據變化，此時難以反應重力的實際值。

三、 結語

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。結合加速度計和陀螺儀能夠實現高精度的姿態解算。

總結

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容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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