陀螺仪传感器在无人机与惯性导航系统中的原理与应用

作为无人机的“大脑”,无人机飞行控制系统,是无人机核心的技术。无人机飞控系统,主要由陀螺仪和加速度传感器、气压传感器等关键传感器,以及控制电路组成。这些传感器的主要功能,就是自动保持飞机的正常飞行姿态。

  近年来,随着MEMS(微电子机械系统)技术的突破和广泛应用,一体化消费级无人机走进了人们生活的方方面面。目前,消费级商用无人机普遍使用的是MEMS技术的陀螺仪等传感器,主要因其体积小,价格便宜,可封装为IC的形式。



无人机上的传感器


  无人机飞控系统

  作为无人机的“大脑”,无人机飞行控制系统,是无人机核心的技术。飞控一般包括传感器、机载计算机和伺服作动设备三大部分,可实现无人机姿态稳定和控制、任务设备管理和应急控制三大功能。

  而无人机飞控系统,便主要由陀螺仪和加速度传感器、气压传感器、超声波传感器、GPS模块等关键传感器,以及控制电路组成。这些传感器的主要功能,就是自动保持飞机的正常飞行姿态。



无人机上的IMU传感器模块,资料图


  无人机飞控中的陀螺仪及IMU

  其中,陀螺仪用于测量机体绕自身轴旋转的角速率,即物体的旋转速度。目前,在无人机应用中,普遍采用三个单轴加速度传感器和三个单轴陀螺仪,来组成惯性测量单元,即Inertial measurement unit,简称IMU,用于完成对无人机在空中姿态的检测与测量。

  其中,加速度传感器用于检测无人机在载体坐标系统中独立三轴的加速度信号,而陀螺仪用于检测载体相对于导航坐标系的角速度信号,测量物体在三维空间中的角速度和加速度,并以此解算出无人机的偏航、俯仰或滚动姿态。

  随后,IMU将会将检测到的数据,传送给主控处理器MCU。主控处理器MCU将根据用户操作的指令,以及IMU数据,通过飞行算法控制飞行器的稳定运行。



现代军机发射导弹,便需要借助惯性导航系统与MEMS传感器技术的结合


  惯性导航系统中的陀螺仪及IMU

  性能先进的惯性器件,是先进惯性导航系统的前提。目前,在军事航空用惯性导航系统中,伴随着IMU技术的深度和广泛应用,陀螺仪、加速度传感器日益成为两大核心的惯性元器件。随着MEMS技术的进一步升级,航空航天惯性导航系统也在逐步朝着高精度、小型化和数字化方向发展。

  例如,2016年3月,美国国防部高级研究计划局微系统技术办公室,便开始新一代的IMU研究。此外,为让军事设施和作战人员摆脱对卫星导航系统的依赖,美国也正在开展多项导航技术研究计划,希望利用集成在微型芯片上的陀螺仪、加速度传感器和原子钟就能获得定位授时导航。

  惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、显示器等组成。惯性测量装置由两大核心惯性元器件组成:加速度计和陀螺仪。三个自由度的陀螺仪,用来测量飞行器的角加速度,三个加速度传感器用来测量飞行器的加速度,计算机通过测得的角加速度和加速度数据计算出飞行器的速度和位置数据。

  惯性导航及控制系统最初主要为航空航天、地面及海上军事用户所应用,是现代国防系统的核心技术产品,被广泛应用于飞机、导弹、舰船、潜艇、坦克等国防领域。随着成本的降低和需求的增长,惯性导航技术已扩展到大地测量、资源勘测、地球物理测量、海洋探测、铁路、隧道等商用领域,甚至在机器人摄像机、儿童玩具中也被广泛应用。


火星侦查直升机


  NASA要在火星放飞直升机 传感器助其实现自主导航

  此外,在前沿的星际空间探索领域,在美国即将于2020年7月启程奔赴火星的“火星2020”火星车上,携带有一架“火星侦查直升机”的航空器无人机,也将利用借助陀螺仪信号实现自主导航。

  究其原因,是由于火星的内禀磁场较弱,不存在规则的南北向磁场,因此,火星直升机在飞行过程中无法像地球上一样,使用磁场为自己指示方向。同时,火星附近现在还没有部署类似于GPS的卫星导航网络。因此,科学家们为它设计了利用太阳所在位置和陀螺仪信号进行自主导航的解决方案。

  NASA预计该飞行器最多只能进行五次飞行,持续时间最长可达90秒,虽然这可能听起来很保守,但考虑到目前在太空探索方面的记录,这实际上是一个巨大的进步。另外,NASA专家称,虽然被称为直升机,但这种技术实际上与高科技无人机有着共同之处,而其背后的技术,很可能会影响到地球上的无人机运输。

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