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這些傳感器能感知無人機(jī)在空中的姿態(tài)、位置和運(yùn)動狀態(tài)，是無人機(jī)飛行控制的基石。 陀螺儀是一種測量和維持方向的裝置，核心部件是一個高速旋轉(zhuǎn)的陀螺，它通過三個靈活連接的軸固定于一個框架內(nèi)。不論外部框架如何移動，旋轉(zhuǎn)的陀螺由于角動量守恒，能夠保持其原始方向。安裝在三個軸上的傳感器可以精確檢測并計算框架的旋轉(zhuǎn)角度和速度。在航空器的自動控制系統(tǒng)中，陀螺儀充當(dāng)角速度傳感器，監(jiān)測飛行器的俯仰、翻滾和偏航運(yùn)動。然而，陀螺儀測得的是角速度，即物體旋轉(zhuǎn)的速率，要確定其變化的角度需要對角速度信號進(jìn)行積分計算。在長時間積分過程中，任何持續(xù)的測量誤差都會累積，導(dǎo)致最終角度的計算出現(xiàn)偏差，這在航空領(lǐng)域中被稱為“積分漂移”。 加速度計在無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，它測量和分析無人機(jī)沿三維空間軸線的加速度，即速度的變化量和方向，為飛控系統(tǒng)提供精確的動態(tài)反饋。這使得系統(tǒng)能夠?qū)崟r調(diào)整無人機(jī)的姿態(tài)，支持其平衡和導(dǎo)航功能，特別是在處理俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航等動作時。它還能檢測飛行器在遭遇突如其來的氣流變化或著陸時的震動，為飛控系統(tǒng)提供故障預(yù)警。 通過霍爾效應(yīng)來測量磁場的強(qiáng)度，根據(jù)地磁向量，求出飛行器與磁北的夾角。由于地磁磁場太過微弱，只有0.5高斯，所以很容易受到外界干擾，數(shù)據(jù)變化較大。一般將地磁干擾分成硬磁干擾和軟磁干擾兩種。 硬磁干擾：認(rèn)為是飛行器上被磁化的物質(zhì)所產(chǎn)生的，一般干擾是一個固定值，不隨著航向的變化而變化。
IMU姿態(tài)解算 位置信息的估算需要結(jié)合GPS或者外部的視覺里程計。 GPS定位：通過三邊測量，地面接收機(jī)可以利用衛(wèi)星信號的運(yùn)行時間和當(dāng)前位置信息來計算其位置，這些信息包含在發(fā)射信號中。當(dāng)接收機(jī)與若干衛(wèi)星的確切距離已知時，就可以計算出接收機(jī)的緯度、經(jīng)度和高度，原則上，GPS接收器只需要三顆衛(wèi)星的距離，就可以利用三邊測量原理計算出它的三維位置。但是需要第四顆衛(wèi)星來從系統(tǒng)時鐘中估計接收機(jī)時鐘的偏移量。只要有足夠的衛(wèi)星覆蓋，GPS可為戶外導(dǎo)航提供了良好的絕對定位。GPS可能會由于信號阻塞、在城市、峽谷、隧道以及其他近地面環(huán)境引起多徑效應(yīng)。多徑效應(yīng)是指：在GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星信號的過程中，除了接收到通過直線路徑到達(dá)接收機(jī)的信號以外，還可能收到經(jīng)接收機(jī)周圍物體的反射再傳播過來的衛(wèi)星信號，這些反射的信號改變了傳播方向、振幅、極化以及相位等，與直線信號產(chǎn)生疊加，從而使觀測值偏離其真值而產(chǎn)生誤差。
光流傳感器
光流傳感器原理圖 如上圖所示，光流傳感器在不同的高度向左位移同樣的距離，相同物體在光流傳感器相機(jī)視野中向右位移的距離是不同的。 光流傳感器通過運(yùn)動物體在成像平面上的像素運(yùn)動的瞬時速度，從而計算出物體的運(yùn)動信息以及高度。 通過下視攝像頭獲得圖像數(shù)據(jù)，分析圖像的不同時刻的幀數(shù)據(jù)，得到像素的移動速度；然后將像素的移動速度轉(zhuǎn)換成飛行器的移動速度。 光流約束方程假設(shè)I(x,y,t)為時刻t像素點(diǎn)(x,y)的像素值(亮度)，該像素點(diǎn)在兩個圖像幀之間移動了Δx，Δy，Δt。由此，可以推導(dǎo)出相同亮度的結(jié)論，即假設(shè)運(yùn)動很小，可以得出其中(dx/dt, dy/dt) = (u, v)為待解像素的光流。 Lucas-Kanade光流算法基于光流的概念和假設(shè)，對相鄰幀之間的圖像進(jìn)行差分計算，以估計像素點(diǎn)在空間和時間上的運(yùn)動矢量。該算法的核心思想是利用圖像信號的泰勒級數(shù)展開來描述相鄰幀之間的圖像變化，并通過對這些變化的偏導(dǎo)數(shù)進(jìn)行計算來估計光流。 光流模塊在無GPS環(huán)境下，實時檢測無人機(jī)水平移動距離，實現(xiàn)對無人機(jī)長時間的穩(wěn)定懸停。下圖顯示的是光流模塊的功能框圖，光流攝像頭拍攝無人機(jī)垂直向下的畫面，輸入光流主板，主板通過光流懸停智能算法進(jìn)行光流計算，從而獲取無人機(jī)位移信息，并轉(zhuǎn)化為懸?？刂浦噶?，懸停控制指令通過UART輸出給飛控，以便控制飛機(jī)水平移動距離，達(dá)到懸停的目的。
光流模塊的功能框圖 1）首先是與高度的關(guān)系，光流的數(shù)據(jù)一般在低空范圍內(nèi)有效，比如5m以內(nèi)，超過一定高度，得到的數(shù)據(jù)精度就會比較差了，同時與高度有一個線性的關(guān)系，根據(jù)高度的大小，對光流得到的機(jī)體xy速度進(jìn)行縮放。 2）其次，進(jìn)行姿態(tài)補(bǔ)償。飛行器在原地晃動，比如左右擺動，光流會輸出一個速度數(shù)據(jù)出來，而實際飛行器并未有位置上的變化，需要將這個誤判的速度進(jìn)行修正掉。
IMU慣性測量單元 三軸地磁傳感器（電子羅盤）是一種用于測量地球磁場強(qiáng)度的傳感器，可以用來檢測設(shè)備的方向和位置。它通常由三個磁傳感器組成，每個傳感器測量一個方向上的磁場強(qiáng)度。這些傳感器可以是霍爾效應(yīng)傳感器、磁阻傳感器或其他類型的磁傳感器。當(dāng)三個傳感器的輸出信號被處理時，可以計算出設(shè)備的方向和位置。三軸地磁傳感器在飛控系統(tǒng)中起到重要作用，它能夠計算出外部框架旋轉(zhuǎn)的度數(shù)等數(shù)據(jù)，并作為水平、垂直、俯仰、航向和角速度傳感器，測量設(shè)備自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。 GD32F4系列MCU采用Arm? Cortex?-M4內(nèi)核，處理器主頻高達(dá)240MHz，可支持算法復(fù)雜度更高的嵌入式應(yīng)用，具備更快速的實時處理能力，并擁有業(yè)界領(lǐng)先的大容量存儲優(yōu)勢。GD32F4系列具有豐富的外設(shè)資源特性，可提供多達(dá)4個USART和4個UART，3個I2C，6個SPI，2個I2S，2個CAN2.0B、1個SDIO接口、1個10/100M以太網(wǎng)控制器，并支持USB2.0 FS和HS通信。還配備了3個采樣率高達(dá)2.6M SPS的12位高速ADC和2個12位DAC。此外GD32F4產(chǎn)品系列集成了TFT LCD控制器和硬件圖形加速器IPA, 以實現(xiàn)液晶驅(qū)動并顯著提升顯示圖像顯示畫質(zhì)。還支持8位至14位的Camera視頻接口，便于連接數(shù)字?jǐn)z像頭并實現(xiàn)圖像采集與傳輸。 飛控中的內(nèi)存卡通常用于存儲飛行數(shù)據(jù)和程序代碼。在無人機(jī)或飛行器中，內(nèi)存卡的作用類似于計算機(jī)中的硬盤，可以記錄和讀取數(shù)據(jù)。然而，由于飛行器環(huán)境的特殊性，飛控中的內(nèi)存卡需要具備更強(qiáng)的抗震動、耐高溫和耐潮濕等性能。 W25Q16是為系統(tǒng)提供一個最小的空間、引腳和功耗的存儲器解決方案的串行Flash存儲器。25Q系列比普通的串行Flash存儲器更靈活，性能更優(yōu)越。基于雙倍/四倍的SPI，它們能夠可以立即完成提供數(shù)據(jù)給RAM，包括存儲聲音、文本和數(shù)據(jù)。芯片支持的工作電壓2.7V到3.6V，正常工作電流小于5mA，掉電時低于1uA。  主控芯片：STM32H743微控制器系列采用了32位寬的Flash存儲器和外部存儲器接口，并支持多種存儲器類型，包括SRAM、SDRAM和NOR Flash。它還擁有多個通信接口，如SPI、I2C、UART和USB，并支持以太網(wǎng)通信。此外，STM32H743還具有豐富的外設(shè)功能，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)字電源供應(yīng)器（DCD）、定時器和計數(shù)器、通用串行接口（USART）等。它還支持多種功耗模式，以滿足不同的應(yīng)用需求。 副控芯片：STM32F103搭載了ARM Cortex-M3內(nèi)核，主頻達(dá)到了最高72MHz，能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用的要求。它還內(nèi)置了多種外設(shè)，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、通用串行總線（USART）、SPI、I2C、PWM和定時器等，可滿足大多數(shù)應(yīng)用的要求。 此外，STM32F103還內(nèi)置了128KB的Flash存儲器和20KB的SRAM，提供了充足的存儲空間，以及支持USB連接和多種功耗模式的特性，更加適合要求較低成本的應(yīng)用需求。 BMI055 BMI055是一種多軸慣性測量單元（IMU），包括三軸加速度計和三軸陀螺儀。BMI055可用于測量和感知飛行器的姿態(tài)、運(yùn)動和加速度等信息。 1）姿態(tài)估計：BMI055的陀螺儀部分可以測量飛行器在三個軸上的旋轉(zhuǎn)速率，從而幫助計算飛行器的姿態(tài)（如俯仰、橫滾和偏航角）。這對于飛行控制和姿態(tài)穩(wěn)定非常重要。 2）運(yùn)動檢測：BMI055的加速度計部分可以測量飛行器在三個軸上的加速度，包括線性加速度和靜態(tài)重力加速度。通過分析加速度數(shù)據(jù)，飛控系統(tǒng)可以檢測飛行器的運(yùn)動狀態(tài)，如加速、減速、轉(zhuǎn)彎等。 3）震動補(bǔ)償：飛行器在飛行過程中可能會受到外界的震動和振動影響，這會干擾傳感器的測量。BMI055的姿態(tài)信息，尤其是陀螺儀的數(shù)據(jù)，可以用于對這些干擾進(jìn)行補(bǔ)償，提高姿態(tài)估計的準(zhǔn)確性。 ICM-42688-P是一款高性能的慣性測量單元，它集成了3軸陀螺儀和3軸加速度計在飛ICM-42688-P的作用主要有以下幾個方面： 1）提供準(zhǔn)確的姿態(tài)信息：ICM-42688-P能夠測量無人機(jī)的加速度和角速度，從而 提供準(zhǔn)確的姿態(tài)信息。這些信息對于實現(xiàn)穩(wěn)定的飛行和精確的定位至關(guān)重要。 2）增強(qiáng)導(dǎo)航精度：ICM-42688-P的高性能陀螺儀可以提供高精度的角速度測量，這有助于增強(qiáng)無人機(jī)的導(dǎo)航精度。尤其是在GPS信號不可靠或者受到干擾的情況下，陀螺儀的數(shù)據(jù)可以幫助無人機(jī)進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航。 IST8310的作用主要是測量地球磁場的方向，提供絕對的坐標(biāo)指向。 飛控系統(tǒng)需要知道無人機(jī)在空間中的姿態(tài)，也就是俯仰、橫滾、航向的角度。地磁傳感器的作用就是測量地球磁場的方向，進(jìn)而推算出無人機(jī)的姿態(tài)。地磁傳感器在無人機(jī)中作為姿態(tài)傳感器使用，其測量的磁場信息可以用于修正由GPS引起的誤差，提高定位精度。  （1）遙控器綁定：飛控的DSM接口可以用于接收來自遙控器的綁定信號，以建立與遙控器的通信連接。通過這種方式，飛控可以與特定的遙控器進(jìn)行配對，確保只有綁定的遙控器能夠控制飛行器。 （2）遙控器輸入：通過DSM接口，飛控可以接收遙控器傳來的通道數(shù)據(jù)，例如油門、橫滾、俯仰和偏航等操作信號。這些數(shù)據(jù)可以用于控制飛行器的姿態(tài)、高度、速度等參數(shù)。飛控通常會對這些輸入信號進(jìn)行處理和解碼，以執(zhí)行相應(yīng)的控制算法。 （3）遙控器狀態(tài)：除了通道數(shù)據(jù)，DSM接口還可以傳輸遙控器的狀態(tài)信息，例如舵量、遙控器電量、信號強(qiáng)度等。這些信息可以用于監(jiān)控遙控器的狀態(tài)，以及在必要時發(fā)出警報或采取相應(yīng)的措施。 飛控的DSM接口是實現(xiàn)飛行器與遙控器之間通信的一種方式，通過接收遙控器的輸入信號和狀態(tài)信息，飛控可以實現(xiàn)對飛行器的控制，并與遙控器進(jìn)行信息交流。 一種用于連接外部設(shè)備和飛行控制器的通信接口，常位于飛控主板上，并提供了一個標(biāo)準(zhǔn)的USB Type-A或Micro-USB插口，用于與計算機(jī)、遙控器或其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信。 接口是用于接收遙控器信號的接口。它支持兩種常見的遙控器信號輸入?yún)f(xié)議，即PPM（脈沖位置調(diào)制）和SBUS（串行總線）。 PPM是一種將多個通道的控制信號合并成一個單一的信號進(jìn)行傳輸?shù)姆绞?。通過PPM輸入接口，飛控可以從連接的遙控器接收到PPM信號，并解析出各個通道的控制值，如油門、方向、俯仰等。 用于IO芯片調(diào)試，讀取調(diào)試信息。 用于FMU芯片調(diào)試，讀取調(diào)試信息。 |
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