傳感器在無人機(jī)的應(yīng)用

傳感器在無人機(jī)

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傳感器原理傳感器應(yīng)用無人機(jī)無人駕駛飛機(jī)（UAV）無人駕駛飛機(jī)簡稱“無人機(jī)”，英文縮寫為“UAV”，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。目前在航拍、農(nóng)業(yè)、植保、自拍、快遞運輸、災(zāi)難救援、觀察野生動物、監(jiān)控傳染病、測繪、新聞報道、電力巡檢、救災(zāi)、影視拍攝、制造浪漫等等領(lǐng)域的應(yīng)用，大大的拓展了無人機(jī)本身的用途，發(fā)達(dá)國家也在積極擴(kuò)展行業(yè)應(yīng)用與發(fā)展無人機(jī)技術(shù)。1914年1940年1991年1996年至今加速度傳感器慣性測量單元傾角傳感器電流傳感器基于電容原理的極距變化型的電容傳感器電容式當(dāng)基座上有加速度輸入時，質(zhì)量塊偏離平衡位置，該位移大小由位移傳感器檢測出來伺服式被測振動頻率遠(yuǎn)低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比壓電式基于世界領(lǐng)先的MEMS硅微技術(shù)壓阻式加速度傳感器電容式傳感器單電容壓力傳感器由圓形薄膜與固定電極構(gòu)成。薄膜在壓力的作用下變形，從而改變電容器的容量，其靈敏度大致與薄膜的面積和壓力成正比而與薄膜的張力和薄膜到固定電極的距離成反比。伴隨著蘋果在iPhone上大量應(yīng)用加速計、陀螺儀、地磁傳感器等，MEMS慣性傳感器從2011年開始大規(guī)模興起，6軸、9軸的慣性傳感器也逐漸取代了單個傳感器，成本和功耗進(jìn)一步降低，成本僅在幾美元。另外GPS芯片僅重0.3克，價格不到5美元。在消費級無人機(jī)上，慣性測量單元結(jié)合GPS是維持方向和飛行路徑的關(guān)鍵。隨著無人機(jī)智能化的發(fā)展，方向和路徑控制是重要的空中交通管理規(guī)則。慣性測量單元采用的多軸磁傳感器，在本質(zhì)上都是精準(zhǔn)度極高的小型指南針，通過感知方向?qū)?shù)據(jù)傳輸至中央處理器，從而指示方向和速度。慣性測量裝置IMU屬于捷聯(lián)式慣導(dǎo)，該系統(tǒng)有兩個加速度傳感器與三個速度傳感器組成，加速度計用來感受無人機(jī)相對于地垂線的加速度分量，速度傳感器用來感受無人機(jī)的角度信息，該子部件主要有兩個A/D轉(zhuǎn)換器AD7716BS與64K的E/EPROM存儲器X25650構(gòu)成，A/D轉(zhuǎn)換器采用IMU各傳感器的模擬變量，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息后經(jīng)過CPU計算后最后輸出無人機(jī)俯仰角度、傾斜角度與側(cè)滑角度，E/EPROM存儲器主要存儲了IMU各傳感器的線性曲線圖與IMU各傳感器的件號與序號，部品開機(jī)時，圖像處理單元讀取E/EPROM內(nèi)的線性曲線參數(shù)為后續(xù)角度計算提供初始信息。慣性測量單元PartOnePartTwo性能指標(biāo)靈敏度:

一般來說，越靈敏越好。越靈敏的傳感器對一定范圍內(nèi)的加速度變化更敏感，輸出電壓的變化也越大，這樣就比較容易測量，從而獲得更精確的測量值。帶寬:這里的帶寬實際上指的是刷新率。也就是說每秒鐘，傳感器會產(chǎn)生多少次讀數(shù)。對于一般只要測量傾角的應(yīng)用，50HZ的帶寬應(yīng)該足夠了，但是對于需要進(jìn)行動態(tài)性能，比如振動，你會需要一個具有100HZ以上帶寬的傳感器。溫度影響補(bǔ)償：外界溫度的變化會帶來相應(yīng)的讀數(shù)偏移誤差，可根據(jù)傳感器手冊中的溫度變化引起的讀數(shù)偏值來進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償（ADXL330中溫度補(bǔ)償為1mg/攝氏度），在系統(tǒng)中增加溫度傳感器來測量溫度。有些傳感器自帶溫度補(bǔ)償，例如在ADXL330中內(nèi)置補(bǔ)償電路，在25°Cto+70°C的溫度變化區(qū)間內(nèi)，電壓變化保持在小于3mg的范圍內(nèi)。靈敏度：輸出電壓與對應(yīng)加速度值的對應(yīng)關(guān)系。靈敏度越高，加速度變化對應(yīng)的電壓變化越明顯，這樣比較容易測得電壓的變化從而精確檢測加速度的微小變化。對于輸出一定的電壓范圍來說，較高的精度意味著加速度的量程將變小。傾角傳感器集成了陀螺儀和加速度傳感器的傾角傳感器，為無人機(jī)飛控系統(tǒng)，提供了保持水平飛行的數(shù)據(jù)。這在易碎品運輸和投遞過程中最重要的穩(wěn)定性監(jiān)測應(yīng)用程序。通過結(jié)合陀螺儀和加速度傳感器，能夠測量到無人機(jī)細(xì)微的運動變化，使得傾角傳感器能夠應(yīng)用于移動程序，如汽車或無人駕駛飛機(jī)的陀螺補(bǔ)償中。傾角傳感器IMUs數(shù)據(jù)采集：陀螺儀也是通過單片機(jī)將其產(chǎn)生的信號對應(yīng)的電壓變化采集通過AD轉(zhuǎn)換以及轉(zhuǎn)換電壓計算從而得到相應(yīng)的角速度值。計算公式:以X軸為轉(zhuǎn)軸，角速度計算公式為：Rate_X=(Val_X-Val_rest)/1024*3.3/0.002零點漂移：靜止時陀螺儀的讀數(shù)不為0，需要通過相關(guān)算法來抑制零點漂移，例如監(jiān)測其他的運動量，人工清零在使用過程中，我們要判定一下我們計算的最終數(shù)值是否正確可用，因為往往由于參考電壓、靈敏度的誤用而導(dǎo)致所得數(shù)據(jù)與實際相差太大而無法使用電流傳感器在無人機(jī)中，電能的消耗和使用非常重要，尤其是在電池供電的情況下。電流傳感器可用于監(jiān)測和優(yōu)化電能消耗，確保無人機(jī)內(nèi)部電池充電和電機(jī)故障檢測系統(tǒng)的安全。電流傳感器工作通過測量電流，理想的情況下提供電氣隔離，以減少電能損耗和消除電擊損壞用戶系統(tǒng)的機(jī)會。同時，具有快速的響應(yīng)時間和高精度的電流傳感器，還可優(yōu)化無人機(jī)電池的壽命和性能。原理簡述：利用霍爾傳感器的工作特性可以制成電流傳感器。它既可以檢測直流電流，也可以檢測交流電流。檢測范圍從幾十毫安到上千安培。電流傳感器的工作原理如下圖所示。它由導(dǎo)磁體、霍爾傳感器組成（內(nèi)部有放大器）。被測電流If的導(dǎo)線穿過導(dǎo)磁體，在導(dǎo)磁體內(nèi)產(chǎn)生磁場，其磁感應(yīng)強(qiáng)度B與If及繞在導(dǎo)磁體上的導(dǎo)線匝數(shù)N有關(guān)?；魻杺鞲衅髦糜趯?dǎo)磁體中，當(dāng)霍爾傳感器通以控制電流IC時，可輸出霍爾電壓式中KH為霍爾傳感器常數(shù)，若Ic為確定值時，上式可寫成UH-KIf式中K為電流傳感器靈敏度（常數(shù)）。電流傳感器的理想輸出特性如下圖所示實際輸出特性由于受到環(huán)境溫度的影響，在零電流時輸出電壓不等于零，并且輸出靈敏度也有一些變化(其最大值可達(dá)6%)。另外，實際特性還有一定的非線