陀螺仪与加速度传感器如何得出角度

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陀螺仪与加速度传感器

 

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    在飞机飞行，航天卫星，导弹巡航等等方面，需要得到精确的运行姿态，这就需要传感器测量。在地球上，一般是采用陀螺仪，但是陀螺仪积分时有温漂，而且因为是积分，误差会累积，所以一般再采用另一种可以测量角度的来修正陀螺仪。在这里采用加速度传感器。

陀螺仪的基准是它自己本身，会出现误差，而加速度的基准是水平面，是很准确的，但是，在地球上的任何物体都受到一个很特殊的加速度，那就是重力加速度。加速度传感器是区分不了重力加速度和物体自身的加速度的，这个时候就需要陀螺仪和加速度传感器互相修正。举个例子：比如说，我们现在面向正北方，正在军训，教官让我们闭上眼睛，听他口令，他说：向左……转！于是，我们就向西转了90度，这个时候，教官继续说：向右……转，我们就又从西向北转了90度，也就是说，现在就是我们又回到初始位置。如果教官不停的重复上面的口令，这样，几十次之后，当我们们睁开眼睛的时候，会发现自己原来是面向正北方的，现在已经偏离了。闭眼转体的时候，基准是自己，所以会出现偏差。但是，要是我们睁着眼睛做转体动作，别说几十次，就是几万次也不会偏离自己初始的方向，当然，要是真的转体几万次，差不多也快挂了。我们自己转体，就相当于陀螺仪，以自身为基准会出现偏离，而加上眼睛（加速度传感器），这样，眼睛就会配合我们自己的判断转到正确的角度上了！

陀螺仪用于飞行体运动的自动控制系统中，作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器。陀螺仪测知的是角速度，由物理公式ω=△θ/△t；因此，对角速度积分就可得到角度。积分就是“狂加”，确切的讲是累加【角速度】×【积分周期Dt】 。注意三点：1是【积分周期Dt】的稳定性，2是陀螺仪信号低通滤波，3是积分饱和。 2、3点互相影响，陀螺仪信号中包含较多高频振动信号时，系统更容易积分饱和。 在惯性应用中，积分饱和可以简单使用加速度倾角缓慢校正，MK四轴就是这样做的。

加速度传感能测量角度，就是因为重力加速度的存在，通过三角变换关系得出来的角度，如图1-1所示：

图1-1

C表示重力加速度，A,B分别表示重力加速度在Z轴，X轴上的分量，加速度传感器测量的就是A，B。通过三角关系可知： =A/B。

这样，加速度传感器测量的角度和陀螺仪测量的角度都出来了，但是这两个值都是不准的，因此，还要进行数据融合，从而得出最优的角度。在飞控方面，传统方法是采用卡尔曼滤波来进行数据的融合。