加速度计用于测量加速(sù)度。借助一个三轴加(jiā)速度计可以测(cè)得(dé)一个固定平台(tái)相对地球表面的运动方(fāng)向,但(dàn)是一旦平台运(yùn)动起来,情况就会变得复杂的多。如果平台做自由落体,加速度计测得(dé)的加速度值为(wéi)零。如果(guǒ)平台朝(cháo)某个方向做加速度运动,各个(gè)轴向加速度值会含有重力产生的加速度(dù)值,使得无法获得真(zhēn)正的加速度(dù)值。例如,安装在(zài)60度(dù)横(héng)滚角飞机上的三轴加速度计会测得2G的垂(chuí)直加速度值,而事实上飞机(jī)相对地区(qū)表面是60度的倾角。因(yīn)此,单独使用加速度计无法使(shǐ)飞机保持一(yī)个固定(dìng)的航向。
陀螺仪(yí)测量机体围绕某个轴向的旋转角速率值。使用陀螺(luó)仪测量飞(fēi)机机体轴(zhóu)向的旋转角速率时,如果飞机在(zài)旋转,测(cè)得(dé)的值为非(fēi)零值,飞机不旋转时,测量的(de)值为零。因此,在60度横滚(gǔn)角的飞机上的陀(tuó)螺仪测得的横滚角速率值为零,同样在飞机做水平直线飞行时,角(jiǎo)速率值为(wéi)零。可以(yǐ)通过角速(sù)率值的时间(jiān)积分(fèn)来(lái)估计当前的横滚角度,前提是没有(yǒu)误差的累(lèi)积。陀螺仪测量的(de)值会随时(shí)间漂(piāo)移,经过几分钟甚至几秒钟定会累积出额外的(de)误差(chà)来(lái),而最(zuì)终会导致对飞机当前相对水平面横滚角度完全错误的认(rèn)知。因此(cǐ),单独使(shǐ)用陀螺仪也无法保持飞机的特定航向。
一言以(yǐ)蔽之,加速度计(jì)在(zài)较长时间的测量值(确定飞机航向)是正确的,而在(zài)较短时(shí)间内由于信号噪声(shēng)的存在,而有误差。陀螺仪在较(jiào)短时间内则比较准确而较长(zhǎng)时间(jiān)则(zé)会有(yǒu)与漂移而存(cún)有误差。因此,需要两者(zhě)(相互调整)来确保航向(xiàng)的正(zhèng)确。
即使使用了两者,也只可以用于测得飞(fēi)机的(de)俯仰和(hé)横滚角度。对(duì)于偏航角度,由于偏(piān)航角(jiǎo)和重(chóng)力方向正交,无法用加速度计测量得到,因此还需要采用其他设备(bèi)来校准测(cè)量偏航(háng)角(jiǎo)度(dù)的陀螺仪(yí)的漂移(yí)值。校准的设备(bèi)可(kě)以(yǐ)使用磁罗盘(pán)计(电子磁罗盘(pán),对(duì)磁场变化(huà)和惯性(xìng)力敏感)或者(zhě)GPS。
GPS数据更新(xīn)较慢(1Hz到10Hz),并(bìng)且短(duǎn)时间内存在(zài)误差。可以只用GPS就可在地磁平稳的时间内,在地(dì)面跟踪较为稳定和慢速(sù)的飞行器。
惯(guàn)性导航(háng)单元(IMU)组合(融合)来自(zì)两个(gè)或以上的传(chuán)感器(例(lì)如(rú)陀螺(luó)仪、加速度计、磁场计(jì)和/或GPS)信息用于飞(fēi)机相(xiàng)对地球的(de)航向矢(shǐ)量和速度矢量。这种(zhǒng)融合算法(fǎ)相当(dāng)复杂(zá),同时(shí)还需要对这些(xiē)电(diàn)子器件固有的测量噪声(shēng)进行特殊滤波,因此(cǐ)市场(chǎng)上具有还算过得去的(de)参数,“廉价”的(de)IMU的价格也要 1000至5000美元。
红外水平感应辅助导航仪价格(gé)便宜,只要有水平(píng)清晰的视觉,它工作良好。不幸的是(shì),山峰、云层、烟雾(wù)和(hé)建筑等会影响其水平视觉。
最后,用(yòng)于UAV的导航(háng)器的(de)设计(jì)技(jì)巧(qiǎo)(设计方案)依赖于(yú)使(shǐ)用目(mù)的、经费(fèi)预(yù)算和(hé)传感器数据(jù)融合计算、卡尔曼滤波的便(biàn)利性等方(fāng)面。

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