飞行器中传感器测量原理及测量模型

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传感器就是机器的五官,让机器知道自己是什么状态。



三轴加速度计

用于测量机载直线方向加速度,静态性能好,在姿态估计中,用于提供俯仰角pitch及滚转角roll。



测量原理

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三个如图所示的MEMS加速度传感器分别平行于机体坐标系的XYZ轴,并放置于机体重心位置(排除旋转运动的向心力影响),当飞机运动状态发生改变时,上图中的运动块因惯性发生相对移动,电容因此发生变化,由此解算出加速度大小及方向。

角度解算公式如下:

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测量模型

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三轴陀螺仪

用于测量机体角速度,积分后可获得姿态角度,动态性能好,但有积分偏移误差,需要通过其他传感器对其修正。



测量原理

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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。



测量模型

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三轴磁力计

主要用于测量航偏角Yaw。



测量原理

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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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。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。

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。



测量模型

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GPS

用于测量飞机的绝对坐标,误差为米级别。



测量模型

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标定

所有传感器均需要进行标定后再使用,目的是消除安装误差带来的影响。



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