浅谈四旋翼无人机上的常用传感器及其作用

四旋翼无人机上的常用传感器，主要包括角速度传感器（陀螺仪）、加速度传感器（加速度计）、地磁传感器（数字罗盘）、气压传感器（气压计）等。

一、角速度传感器（陀螺仪）

角速度传感器应用科里奥利力原理：科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性，在旋转体系中进行直线运动的质点，由于惯性的作用，有沿着原有运动方向继续运动的趋势，但是由于体系本身是旋转的，在经历了一段时间的运动之后，体系中质点的位置会有所变化，而它原有的运动趋势的方向，如果以旋转体系的视角去观察，就会发生一定程度的偏离。当一个质点相对于惯性系做直线运动时，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，这个力就是科里奥利力。

角速度传感器的通常被应用于检测物体的移动。例如：一个人朝着一个固定方向在直线前进，从太空来看，这个人其实是以一定的角度在旋转前进。通过检测这个角速度，我们就能够知道物体是否在移动。在四轴飞行器中，通过对不同方向的角速度检测，我们就能够知道飞行器的运动方向。常用的运动方向检测包括X方向、Y方向、Z方向，即通常所说的三轴角速度传感器，也称三轴陀螺仪。

二、加速度传感器（加速度计）

四轴飞行器所用到的加速度传感器也叫重力感应器，用于测量设备相对于水平面的倾斜角度。那么它的测量原理是什么呢？任何地球上的物体都会受到重力的作用。我们先来回顾下重力的计算公式：G=mg。其中的g就是重力加速度，其值是9.8N/kg。一个放置于斜面上的物体所受到的重力可以分解为两个方向：平行于物体的方向和垂直于物体的方向。那么对于斜角是α的物体，重力加速度g可以分解为X方向的sinα和Y方向的cosα，从而可以得到X方向的重力作用Fx=mg.sinα 以及Y方向的重力作用 Fy=mg.cosα。重力感应器把这两个力转化成电压信号，我们通过读取该电压信号，即可以计算中物体的倾斜角度。另外我们必须注意的是，运动中的物体所测量出来的倾斜角度是不准确的，原因是运动中的物体，由于不同角度的加速度的叠加，使得物体各个方向的力不能准确代表由于倾斜所产生的重力，因而使用中要注意到这一点。

或许有人会有疑虑：为什么这个不直接叫重力传感器，而叫加速度传感器呢？实际上加速度传感器能感知各种各样的加速度，而不单单是地球重力加速度。我们在四轴飞行器中把它称作重力传感器是因为我们只需要用对重力加速度进行检测，从而获得四轴飞行器相对于地面的倾斜角度。简单的来说，加速度传感器的制造原理就是把压力转化为电信号。多数加速度传感器都是根据压电效应的原理来工作的。所谓压电效应，即使某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。通过测量这些电荷，并转化为电压信号输出，即完成了加速度传感器的制造。

常用的角速度和加速度传感器合一的模块有MPU6050、MPU6000等。MPU6050是一种非常流行的空间运动传感器芯片，可以获取器件当前的三个加速度分量和三个旋转角速度。由于其体积小巧，功能强大，精度较高，不仅被广泛应用于工业，同时也是航模爱好者的神器，被安装在各类飞行器上驰骋蓝天。MPU6050芯片内自带了一个数据处理子模块DMP，已经内置了滤波算法，在许多应用中使用DMP输出的数据已经能够很好的满足要求。

三、地磁传感器（数字罗盘）

地磁传感器，即数字罗盘，是用来确定方向的。它利用地磁场来定北极，其基本原理和指南针差不多。三维地磁传感器通过给出在X轴，Y轴和Z轴上的地磁力投影，可以提供活动物体的航向角 、俯仰角和横滚角，从而可以确定物体的姿态，实际上就是确定了物体坐标系与地理坐标系之间的方位关系。不过在实际应用中，需要注意周围物体所产生出来的磁场对传感器造成的干扰。

四、气压传感器（气压计）

气压传感器，利用空气的压力，测量出物体所在位置的高度。其作用就是用于测量物体所在平面的高度。气压是由地表空气的重力所产生的。海拔高的地方，地表的空气厚度小，气压低；海拔低的地方，地表的空气厚度大，气压高。通过测量所在地的大气压值，与标准值比较，就可以获得物体所在位置的高度。这就是气压高度计的基本测量原理。在实际应用中，需要结合温度等对测量结果进行修正。

五、各种传感器分析

对于角速度传感器，加速度传感器，地磁传感器和气压传感器，除了气压传感器外，余下的三个传感器均能提供X、Y、Z三轴的测量数据，综合在一起，可以称做10轴传感器。为了方便更好理解各个传感器的功能，总结如下：

（1）角速度传感器：利用旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时的不变性，测量外力对物体的影响。跟地球万有引力和地球南北极的磁力具有固定方向性不同，旋转物体的旋转轴方向是不确定的，因而角速度传感器只能用来测量位置改变，而无法像加速度传感器和地磁传感器那样，测量出物体的绝对角度和姿势。我们必须要注意，角速度传感器输出的角速度是瞬时量，它的测量基准是自身，并没有系统外的绝对参照物。

（2）加速度传感器：利用了地球万有引力，把重力加速度投影到X、Y、Z轴上，测量出物体的姿势。

（3）地磁传感器：利用了地球南北极的磁场所产生的吸力，并投影到X、Y、Z轴上，测量出物体的方位和姿态。

可以看出，除了气压传感器外，加速度传感器，地磁传感器和角速度传感器均可以用于对物体的姿势进行检测，从而对四轴飞行器平衡进行控制。那么它们的缺点分别是什么呢？

对于地磁传感器：磁场是非常容易发生干扰的。所谓电磁效应，即电场会产生磁场，而磁场又会产生电场。我们单纯用地磁传感器来控制四轴飞行器的平衡，那么一个电器产生的磁力感应有可能被误认为是飞行器的姿势发生了改变，从而引起微处理器改变电机的平衡转速，从而导致四轴飞行器失去平衡。飞行器中最容易产生磁场的就是电机，也就是说，电机不通电能够测出地磁场，一通电，磁场传感器就傻了。如果做的不是静态模型，建议不要考虑磁场了，为自己省点银子。

对于加速度传感器，我们知道运动中的物体会产生包括重力加速度在内的各种各样的加速度。当四轴飞行器起飞的一霎那，由于电机转速本身的重量和转速误差，我们无法感知飞行器本身的受力情况，从而无法通过加速度来判别物体的姿势。要获得准确的物体角度和姿势，加速度传感器就需要在静止或者匀速的情况下进行测量，而飞行器起飞的瞬间，物体是运动的，所以你无法用它来平衡四轴飞行器。

对于角速度传感器：角速度传感器是理想的平衡控制传感器，它能感知物体的运行变化。四轴飞行器的微处理器通过读取这些数据进行分析，并根据运动变化进行反馈控制，即可以使得物体保持平衡。四轴飞行器在起飞瞬间，飞行器在四个电机的作用力下，开始运动，由于不同电机的驱动力差异，飞行器姿势会发生改变，微处理器获得这些改变后，微调各个电机的转速，从而使得飞行器达到平衡。

那么只有角速度传感器的四轴飞行器可以飞吗？理论上是可行的，但是，角速度传感器无法绝对定位自己的位置和姿势，它只是感知物体的姿势改变，然后通过微控制器来阻止这种改变，从而获得平衡。简单来说，四轴飞行器起飞瞬间，如果它的位置是斜的，那么它平衡后，位置也是斜的，因为它无法知道自己的初始状态。所以只有角速度传感器的四轴飞行器无法水平飞行，无法感应飞行姿势，也无法修正飞行姿势。此外，还需要注意，角速度传感器输出的瞬时量其实并不适合于用来直接进行平衡控制。

至于气压传感器，是测量飞行器高度，可用于导航。

六、四轴飞行器之平衡和姿势控制

下面谈下如何进行四轴飞行器的平衡和姿势控制。

角速度传感器输出的角速度是瞬时的角加速度量，一般的平衡控制系统不能直接使用它。我们需要得到角度的变化量来进行平衡控制，这就需要使用角速度和时间进行积分运算，从而得到角度的变化量。然后这个角度的变化量就能用于平衡控制。所以在实际的四轴飞行系统中，首先要对角速度传感器做 PI运算。PI是比例积分控制，是滞后校正，它是PID（比例/积分/微分）发展起来的一种PID改进算法。P是指比例控制，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。I是指积分控制，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。PID是一种闭环控制算法，必须在硬件上具有闭环系统，即控制系统和反馈系统。PID（比例/积分/微分）并不是必须同时具备三种算法，可以是PD、PI，甚至P算法控制。单纯的P算法控制是最简单的，以四轴飞行器为例，就是把角加速度数据读回来，是正就电机加速，是负就电机减速，或做相反控制。对于单纯的P(比例)控制，反映系统的当前状态，可以通过加快调节来减小误差，但是使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定。I（积分）和D(微分)不能单独起作用，必须和P(比例)控制配合使用， I（积分）反映系统的累计偏差，使系统消除稳态误差。D(微分)反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，从而进行超前控制。四轴飞行器一般只用到PI算法。理论上，如果我们知道物体的初始姿势，通过角速度传感器的上述积分运算，我们也能得到物体的最终姿势，但是，我们知道积分运算是有误差的，随着时间的流逝，误差越来越大，最终这个计算出来的变化的角度就和实际的角度相差较远，从而导致姿势和我们预想的发生偏差。加速度传感器是以重力作为参考力方向的，在无外力的情况下，测量出来的是物体的绝对姿势。但是它无法区分重力加速度和外力加速度。因为运动中的四轴飞行器同时受到重力和外力的作用，所以加速度传感器的姿势输出也无法反映飞行器最真实的姿态。所以在没有其它参照物的基础上，就要充分了解这两种传感器的特性，扬长避短，在短时间内使用角加速度的值，在长时间内使用加速度的值进行校正，从而得到接近真实值的姿势。加速度与角速度融合求解姿态最正确的方法是利用动态卡尔曼滤波进行输出，它能够自动根据观测量修正状态参量，但是卡尔曼滤波算法比较复杂，非常难懂，没有一定的功底是不好做的。

工业上常用的检测位置的传感器功能和原理，这些知识你可能不知道

一、电感式接近开关：只能检测金属物体

1. 工作原理

电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。

2.工作流程方框图

术语解释

1. 检测距离: 动作距离是指检测体按一定方式移动时，从基准位置（接近开关的感应表面）到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。

2. 设定距离： 接近开关在实际工作中整定的距离，一般为额定动作距离的0.8倍。

3. 回差值: 动作距离与复位距离之间的绝对值。

4. 标准检测体： 可使接近开关作比较的金属检测体。

5. 输出状态： 分常开和常闭。当无检测物体时，常开型的接近开关所接通的负载，由于接近开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。

6. 检测方式： 分埋入式和非埋入式。埋入式的接近开关在安装上为齐平安装型，可与安装的金属物件形成同一表面，非埋入式的接近开关则需把感应头露出，以达到其长检测距离的目的。

7.响应频率f： 按规定的1秒的时间间隔内，接近开关动作循环的次数。

响应时间t： 接近开关检测到物体时间到接近开关出现电平状态翻转的时间之差。

可用公式换算 t=1/f

8.导通压降： 既接近开关在导通状态时，开关内输出晶体管上的电压降。

以NPN型输出的接近开关为例

9.输出形式： 分npn二线，npn三线，npn四线，pnp二线，pnp三线，pnp四线，DC二线，AC二线，AC五线（自带继电器）等几种常用的形式输出。

注意事项

1：当检测物体为非金属时，检测距离要减小，另外很薄的镀膜层也是检测不到的。

2：电感式接近开关的接通时间为50ms，所以在用户产品的设计中，当负载和接近开关采用不同电源时，务必先接通接近开关的电源。

3: 当使用感性负载（如灯、电动机等）时，其瞬态冲击电流较大，可能劣化或损坏交流二线的接近开关，在这种情况下，请经过交流继电器作为负载来转换使用。

4: 请勿将接近开关置于200Gauss以上的直流磁场环境下使用，以免造成误动作。

5：DC二线的接近开关具有0.5-1mA的静态泄漏电流，在和一些对DC二线接近开关泄漏电流要求较高的场合下尽量使用DC三线的接近开关。

6：避免接近开关在化学溶剂，特别是在强酸，强碱的环境下使用。

7： 为了使接近开关长期稳定工作，请务必进行定期的维护，包括检测物体和接近开关的安装位置是否有移动或松动，接线和连接部位是否接触不良，是否有金属粉尘粘附。

二、电容式接近开关

1.工作原理

电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。这种接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体,在检测较低介电常数ε的物体时，可以顺时针调节多圈电位器（位于开关后部）来增加感应灵敏度，一般调节电位器使电容式的接近开关在0.7-0.8Sn的位置动作。

2.工作流程方框图

3.安装要求

2.高防水等级的产品均不具备灵敏度调节功能，另外其检测距离为标准值的1/2或1/3，甚至更小。

注意事项

1：电容式接近开关理论上可以检测任何物体，当检测过高介电常数物体时，检测距离要明显减小，这时即使增加灵敏度也起不到效果。

2：电容式接近开关的接通时间为50ms，所以在用户产品的设计中，当负载和接近开关采用不同电源时，务必先接通接近开关的电源。

3: 当使用感性负载（如灯、电动机等）时，其瞬态冲击电流较大，可能劣化或损坏交流二线的电容式接近开关，在这种情况下，请经过交流继电器作为负载来转换使用。

4: 请勿将接近开关置于200Gauss以上的直流磁场环境下使用，以免造成误动作。

5：DC二线的接近开关具有0.5-1mA的静态泄漏电流，在和一些对DC二线接近开关泄漏电流要求较高的场合下尽量使用DC三线的接近开关。

6：避免接近开关在化学溶剂，特别是在强酸，强碱的环境下使用。

7： 为了使电容式接近开关长期稳定工作，由于其受潮湿、灰尘等因素的影响比较大，请务必进行定期的维护，包括检测物体和接近开关的安装位置是否有移动或松动，接线和连接部位是否接触不良，是否有粉尘粘附。

三、红外线光电开关

红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或X射线。人眼可见的光波是380nm-780nm，发射波长为780nm-1mm的长射线称为红外线。

红外线光电开关（光电传感器）属于光电接近开关的简称，它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。根据检测方式的不同，红外线光电开关可分为

1.漫反射式光电开关

漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。

引起理想漫反射的光度分布

局部较强漫反射时的光度分布

2.镜反射式光电开关

镜反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。

3.对射式光电开关

对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。

4.槽式光电开关

槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。

5.光纤式光电开关

光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，以实现被检测物体不在相近区域的检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。

术语解释

1.检测距离: 动作距离是指检测体按一定方式移动时，从基准位置（光电开关的感应表面）到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。

2.回差距离：动作距离与复位距离之间的绝对值。

3.响应频率：按规定的1秒的时间间隔内，允许光电开关动作循环的次数。

4.输出状态：分常开和常闭。当无检测物体时，常开型的光电开关所接通的负载，由于光电开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。

5.检测方式：根据光电开关在检测物体时，发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的不同，可分为漫反射式，镜反射式，对射式等。(详见工作原理说明)

6.输出形式：分npn二线，npn三线，npn四线，pnp二线，pnp三线，pnp四线，AC二线，AC五线（自带继电器），及直流NPN/PNP/常开/常闭多功能等几种常用的形式输出。

7.指向角：常见GDKG光电传感器的指向角示意图

漫反射式光电开关镜反射式光电开关对射式光电开关

8.防护等级（外壳封装）：

9.表面反射率：对于漫反射式光电开关发出的光线需要被检测物表面将足够的光线反射回漫反射开关的接受器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率将是决定接受器接收到光线的强度大小，粗糙的表面反射回的光线必将小于光滑表面反射回的强度，而且，被检测物体的表面必须垂直于光电开关的发射光线。常用材料的反射率参考图如下所示：

材料反射率材料反射率

白画纸90%不透明黑色塑料14%报纸55%黑色橡胶4%餐巾纸47%黑色布料3%包装箱硬纸板68%未抛光白色金属表面130%洁净松木70%光泽浅色金属表面150%干净粗木板20%不锈钢200%透明塑料杯40%木塞35%半透明塑料瓶62%啤酒泡沫70%不透明白色塑料87%人的手掌心75%

10.环境特性：GDKG光电开关应用的环境亦是影响其长期工作可靠性的重要条件。当光电开关工作于最大检测距离状态时，由于光学透镜会被环境中的污物粘住，甚至会被一些强酸性物质腐蚀，以至降低使用参数特性，它终究是造成可靠性降低的最大因数，其较简便的解决方法是根据GDKG传感器的最大检测距离（Sn）降额使用来确定最佳工作距离。

四、位移传感器

1. 原理简介

位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。

该位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。

该位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。

2. 输出特性曲线

五、霍尔开关

一、原理简介

当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为

U=K·I·B/d

其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场（洛伦慈力Lorrentz）的磁感应强度，d是薄片的厚度。

由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。

霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度（如B1）时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。输出端一般采用晶体管输出，和接近开关类似有NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出之分。

二、内部原理图

三、输入/输出的转移特性

术语解释

1.磁感应强度：霍尔开关在工作时，它所要求磁钢具有的磁场强度的大小。一般磁感应强度值B为0.02-0.05T。

2.响应频率：按规定的1秒的时间间隔内，允许霍尔开关动作循环的次数。

3.输出状态：分常开、常闭、锁存。例如当无检测物体时，常开型的 霍尔开关所接通的负载，由于霍尔开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。

4.输出形式：分NPN/PNP/常开/常闭多功能等几种常用的形式输出。

5.动作距离: 动作距离是指检测体按一定方式移动时，从基准位置（霍尔开关的感应表面）到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离指 霍尔开关动作距离的标称值。

6.回差距离：动作距离与复位距离之间的绝对值。

六、磁性开关

磁性开关与其它接近开关的特点比较

优点：

1.传感器可以整体安装在金属中。

2.传感器对并排安装没有任何要求。

3.传感器顶部（传感面）可以由金属制成。

4.传感器具有价格低廉，结构简单。

缺点：

1.动作距离受检测体（一般为磁铁或磁钢）的磁场强度影响较大。

2.检测体的接近方向会影响动作距离的大小

（径向接近是轴向接近时动作距离的一半）。

3.径向接近时有可能会出现两个工作点。

4.检测体在固定时不允许用铁氧体或螺丝钉，只能用非铁质材料。

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