无人机、机器人、VR上的三六九轴传感器究竟是什么?

无人机、机器人、VR上的三六九轴传感器究竟是什么?

三种传感器

①加速传感器

加速传感器是测量空间中各方向加速度的。它利用一个“重力块”的惯性,传感器在运动的时候,“重力块”会对X、Y、Z方向(前后左右上下)产生压力,再利用一种压电晶体,把这种压力转换成电信号,随着运动的变化,各方向压力不同,电信号也在变化,从而判断手机的加速方向和速度大小。比如你突然把手机往前推,传感器就知道你是在向前加速了。

陀螺仪

陀螺仪是一种用于测量角度以及维持方向的设备,在飞行游戏,体育类游戏和第一视角类射击等游戏中,可以完整监测游戏者手的位移,从而实现各种游戏操作效果。下图是一个最基础的机械陀螺仪模型,中间金色的转子在整个仪器的运动中,它因为惯性作用不受影响,而周边三个“钢圈”则会因为设备改变姿态而改变,通过这样来检测设备当前的旋转状态。

其实,在我们的手机等电子产品中的陀螺仪并不长这个样子。它和加速传感器一样也是一个微电子元件,利用科里奥利力,通过连续震动的振子在旋转系统中的运动偏移,改变电路状态,引起相关电参数的变化,从而可以反映出左右倾斜、前后倾斜和左右摇摆等运动情况。

什么是科里奥利力?假设在一个逆时针转动的圆盘中央O点有个运动员(O点不动),要把篮球传给站在边缘A点的另一个运动员,当他沿OA直线方向投球后,A点的运动员会发现篮球向右偏转,最终落在A'点。以转动的圆盘为参照系,篮球仿佛受到一股向右的力,从而发生偏移,这个力就称为科里奥利力。

电子罗盘(地磁传感器、地磁计)

利用加速传感器和陀螺仪,基本可以描述设备的完整运动状态。但是随着长时间运动,也会产生累计偏差,不能准确描述运动姿态,比如操控画面发生倾斜。电子罗盘(地磁传感器)利用测量地球磁场,通过绝对指向功能进行修正补偿,可以有效解决累计偏差,从而修正人体的运动方向、姿态角度、运动力度和速度等。

三轴传感器

①三轴陀螺仪

三轴陀螺仪:同时测定6个方向的位置,移动轨迹,加速。单轴的只能测量两个方向的量,也就是一个系统需要三个陀螺仪,而3轴的一个就能替代三个单轴的。

优点:三轴陀螺仪体积小、重量轻、结构简单、可靠性好、更灵敏、更准确。

②三轴加速度计

三轴加速度计是基于加速度的基本原理去实现工作的,加速度是个空间矢量,一方面,要准确了解物体的运动状态,必须测得其三个坐标轴上的分量;另一方面,在预先不知道物体运动方向的场合下,只有应用三轴加速度传感器来检测加速度信号。由于三轴加速度传感器也是基于重力原理的,因此用三轴加速度传感器可以实现双轴正负90度或双轴0-360度的倾角,通过校正后期精度要高于双轴加速度传感器大于测量角度为60度的情况。

优点:三轴加速度传感器的好处就是在预先不知道物体运动方向的场合下,只有应用三维加速度传感器来检测加速度信号。三维加速度传感器具有体积小和重量轻特点,可以测量空间加速度,能够全面准确反映物体的运动性质。

③三轴地磁计

三轴地磁计,又称电子罗盘,在无人机、智能手表、导航设备中广泛普及和应用。针对需要侦测物体运动变化情况,三轴磁传感器承载着至关重要的绝对指向作用,为稳定飞行、辅助导航等多样化功能保驾护航。也正如此,三轴磁传感器的可靠性是这些装置稳定运作的基石。

六轴传感器

六轴传感器通常指的是三轴陀螺仪+三轴加速度计。

九轴传感器

九轴传感器通常指的是三轴陀螺仪+三轴加速度计+三轴地磁计,也有六轴加速度传感器+三轴陀螺仪的,也有六轴陀螺仪+三轴加速度计的。

所谓九轴传感器,其实三种传感器的组合:3轴加速传感器、3轴陀螺仪和3轴电子罗盘(地磁传感器)。三个部分作用不同,相互配合,是我们手机、平板电脑、游戏机等电子产品中常用的运动感测追踪元件,应用于各类软件、游戏中的交互控制。

九轴传感器作为集成化传感器模块,减少了电路板和整体空间,更适合用在轻巧便携的电子设备和可穿戴产品中。集成化传感器的数据准确度除了器件本身的精度外,还涉及到焊接装配后的矫正,以及针对不同应用的配套算法。合适的算法可以将来自多种传感器的数据融合,弥补了单个传感器在计算准确的位置和方向时的不足,从而实现高精度的运动检测。

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