无人机飞控系统惯性传感器测量及GPS模块的应用

2018-12-23
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摘要 现在的无人机飞控内部使用的都是由三轴陀螺仪,三轴加速度传感器,三轴地磁传感器和气压计组成的一个IMU,也称惯性测量单元。当然,也有一些飞控是外置IMU的,做成独立的模块。

  无人机行业如今十分火热,无人机的大脑称为飞控。有了飞控系统,通过地面端的遥控器、电脑或者手机就可以控制一架无人机自主起飞、自主导航、自主降落。而飞控就是飞行控制器的简称,无人机的飞控系统内部包括单片机和多种传感器。


常见的消费级无人机,资料图

  现在的无人机飞控内部使用的都是由三轴陀螺仪,三轴加速度传感器,三轴地磁传感器和气压计组成的一个IMU,也称惯性测量单元。当然,也有一些飞控是外置IMU的,做成独立的模块。

  其中,三轴陀螺仪,三轴加速度传感器,三轴地磁传感器中的三轴指的就是飞机左右,前后,垂直方向上下这三个轴,一般都用XYZ来代表。左右方向在飞机中叫做横滚,前后方向在飞机中叫做俯仰,垂直方向就是Z轴。


无人机上的飞控系统芯片,资料图

  目前,MEMS电子陀螺仪由于成本低,体积小重量轻,稳定性、精度都比机械陀螺高,在无人机应用中非常广泛,主要负责测量XYZ三个轴的倾角;三轴加速度传感器负责测量飞机XYZ三个轴的加速度;地磁传感器感知地磁,可以让飞机知道自己的机头和飞行朝向,找到任务位置;气压计可通过测量不同位置的气压,计算压差获得到当前的高度。这就是整个IMU惯性测量单元的一般构成了。

  通过组合上述传感器,IMU惯性测量单元可以感知飞机姿态的变化。例如飞机当前是前倾还是左右倾斜,机头朝向、高度等最基本的姿态数据。

  IMU测得飞机当前的倾角数据后,通过编译器编译成电子信号,将这个信号通过信号实时传输给飞控内部的单片机。单片机负责的是运算,根据飞机当前的数据,计算出一个补偿方向,补偿角,然后将这个补偿数据编译成电子信号,传输给舵机或电机,电机或舵机在去执行命令,完成补偿动作。

  当传感器再次感知到飞机平稳后,将实时数据再次给单片机,单片机会停止补偿信号,这就形成了一个循环,大部分飞控基本上都是10HZ的内循环,也就是1秒刷新十次。这就是无人机飞控系统最基本的功能了。

  有了最基本的平衡、定高和指南针等功能,大部分飞控还需借助GPS模块或北斗定位系统定位,定位信号也会通过一个编译器再次编译成一个电子信号传给飞控,让飞控知道自己所在的位置、任务的位置和距离和当前的速度和高度,然后再由飞控控制飞机飞向任务位置。

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