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浅谈加速度传感器和陀螺仪及磁力计的互补关系

今天,小编为您简单介绍一下有关加速度传感器、陀螺仪和磁力计的一些知识,以及在诸如消费级别的无人机等的惯性测量单元IMU中,传感器融合的技术要求下,它们各自的优势及互补关系。

 

VTI超低功耗三轴加速度传感器


加速度传感器

加速度传感器只能测量因设备运动引起的加速度和因重力引起的加速度在内的总加速度值,而不能检测二者之间的区别,因此需要将重力和运动分开来:线性加速度=加速度-重力加速度。

可以将重力矢量想象为一种指示重力方向和幅度的三维矢量。当设备处于静止状态时,重力传感器的输出应该与加速度计的输出相同。

线性加速度可以被看作是一个指示每个设备轴向加速度的三维矢量,并且在手机应用中被认为与重力分量无关。

此时就用得到陀螺仪了。陀螺仪可以用来检测设备何时处于静止状态,并触发重力矢量偏移校准的计算。结果可再转而用于计算设备运动过程中的动态分量,也就是线性加速度。

 

村田陀螺仪和加速度传感器组件


陀螺仪

陀螺仪可以提供围绕着三个轴的旋转速度,因此可以用来跟踪设备在运动中的方位。陀螺仪可以跟踪的旋转速度高达2000度每秒(dps),而磁力计可跟踪的速度被限制在约400dps以下。但是,陀螺仪只能输出相对位置,因此需要有一个不失真的磁力传感器作为参考。

所有消费级陀螺仪都存在固有的漂移误差,因此即使设备处于稳定状态,陀螺仪也会随着时间和温度的变化发生一定程度的旋转。为了纠正这些误差,可以用高稳定性的加速度传感器检测静止状态,然后经计算进行适当的补偿。

 

PNI双轴磁传感器MS2100


磁力计

磁力计对干扰性的本地磁场和畸变高度敏感,它们容易造成计算得到的磁航向出现错误。陀螺仪可以用来在没有旋转记录的情况下检测这种干扰和航向变化。传感器融合后,通过给陀螺仪数据提供比磁力计数据更多的权重,就可以精确地进行补偿。

地球磁场的水平分量用于计算磁航向,而俯仰角和滚转角分别是沿着水平X轴和垂直Y轴的倾斜角。这些倾斜角影响XY轴方向的磁场。当设备不处于水平位置时,即倾斜角不是零时,航向计算将不正确。因此可以通过利用加速度传感器,通过旋转XY平面对方位进行计算之前,确保这些倾斜角得到补偿很重要。

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