无人机中的IMU单元(MEMS 三轴加速计、三轴陀)螺仪、三轴磁力计

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2020年11月17日 09时20分

1、三轴加速度计

 

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(1)测量比力

三轴加速度计是一种惯性传感器,能够测量物体的比力,即去掉重力后的整体加速度或者单位质量上作用的非引力。当加速度计保持静止时,加速度计能够感知重力加速度,而整体加速度为零。在自由落体运动中,整体加速度就是重力加速度,但加速度计内部处于失重状态,而此时三轴加速度计输出为零。.

 

(2)测量角度

 

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三轴加速度计的原理能够用来测量角度。直观地,如图所示,弹簧压缩量由加速度计与地面的角度决定。比力能够通过弹簧压缩长度来测量。因此在没有外力作用的情况下,加速度计能够精确地测量俯仰角和滚转角,且没有累积误差。

 

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MEMS三轴加速度计是采用压阻式、压电式和电容式工作原理,产生的比力(压力或者位移)分别正比于电阻、电压和电容的变化。这些变化可以通过相应的放大和滤波电路进行采集。该传感器的缺点是受振动影响较大。

介于其测量角度的工作原理三轴加速度计无法测量偏航角

 

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可测量俯仰角和横滚角

 

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2、三轴陀螺仪

作用:用于无人机中的角速度及对角速度积分后角度的计算

原理:理解三轴陀螺仪的原理首先要知道科里奥利力

 

科里奥利力

当一个质点相对于惯性系做直线运动时,因为质点自身惯性,它相对于旋转体系,其轨迹是一条曲线。立足于旋转体系,我们认为有一个力驱使质点运动轨迹形成曲线。科氏力就是对这种偏移的一种描述,表示为

 

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即本来直线的运动当放在一个旋转体系中直线轨迹会发生偏移,而实际上并直线运动的问题并未受到力的作用,设立这样一个虚拟的力称为科里奥利力。

 

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由此我们在陀螺仪中,选用两块物体,他们处于不断的运动中,并令他们运动的相位相差-180度,即两个质量块运动速度方向相反,而大小相同。它们产生的科氏力相反,从而压迫两块对应的电容板移动,产生电容差分变化。电容的变化正比于旋转角速度。由电容即可得到旋转角度变化。

3、三轴磁力计

磁力计能提供装置在XYZ各轴所承受磁场的数据,接着相关数据会汇入微控制器的运算法,以提供磁北极相关的航向角,利用这些信息可侦测地理方位。

 

磁力仪是采用三个互相垂直的磁阻传感器,每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。

 

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上图为一种采用具有晶体结构的合金材料。它们对外界的磁场很敏感,磁场的强弱变化会导致磁阻传感器电阻值发生变化

 

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另外三轴磁力计还可以采用洛伦兹力原理,电流流过磁场产生力,从而驱动电容等变化。

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