学习四驱飞行器 ，MPU6050的预备知识与概要_mpu6050偏航角

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最近在学习四轴飞行器，记录一篇关于MPU6050的相关知识 。

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一、预备知识

1.姿态

在飞行器中，飞行姿态是非常重要的。以飞机自身的中心建立坐标系，当飞机绕坐标轴旋转的时候，会分别影响横滚角（Roll)、俯仰角（Pitch）、偏航角（Yaw）。

 

                假设初始状态中，飞机的Z轴、Y轴、X轴分别与地理坐标系的天轴、北轴、东轴平行。

 ①当飞机绕自身“Z”轴旋转时，它会使得自身“Y”轴在“南北“的方向发生旋转，产生一定的角度，该角度就叫作偏航角（Yaw）。

②当飞机绕自身“X”轴旋转时，它会使得自身“Z”轴在“天地“的方向发生旋转，产生一定的角度，该角度就叫作俯仰角（Pitch）。

③当飞机绕自身“Y”轴旋转时，它会使得自身“X”轴在“东西“的方向发生旋转，产生一定的角度，该角度就叫作横滚角（Roll）。

2.传感器

①角速度传感器（陀螺仪）

   角速度传感器的通常被应用于检测物体的移动。举个例子，一个人朝着一个固定方向在直线前进，从太空来看，这个人其实是以一定的角度在旋转前进。通过检测这个角速度，我们就能够只物体是否在移动。
   在四轴飞行器中，通过对不同方向的角速度检测，我们就能够知道飞行器的运动方向。常用的运动方向检测包括X方向，Y方向，Z方向，即通常所说的三轴角速度传感器，也称3轴陀螺仪。

缺点：存在0.1°/s的静态误差，假如静态1分钟，则体现物体旋转了6度。可以配合加速度计（后面讲到）使用。

②加速度计（重力感应器）

   用于测量设备相对于水平面的倾斜角度。通过检测物体在各个方向的形变状况来采样受力数据，根据高中F=ma公式转换计算，传感器直接输出加速度数据。当传感器的姿态不同时，它在自身各个坐标轴检测到的重力加速度是不一样的，利用各方向的测量结果，根据力的分解原理，可求出各个坐标轴与重力之间的夹角。

   初学者可能有个疑虑，为什么这个不直接叫重力传感器，而叫加速度传感器呢。实际上加速度传感器能感性各种各样的加速度，而不单单是地球重力加速度。我们在四轴飞行器中把它称作重力传感器是因为我们只需要用对重力加速度进行检测，从而获得四轴飞行器相对于地面的倾斜角度。

缺点：无法检测偏航角（Yaw）；不能区别外力加速度和重力加速度，在运动过程中难以反映重力的实际值。

③地磁传感器（磁力计）

   弥补加速度计无法测量偏航角（Yaw）的缺陷。检测各个方向的磁场大小，通过检测地球磁场，计算出偏航角（Yaw）。

缺点：会受到外部磁场的干扰，例如：载体本身的电磁场干扰，不同地理环境的磁铁矿干扰等等。

④GPS

   使用GPS可以直接检测出载体在地球上的坐标，假如载体在某时刻测得 坐标为A，另一时刻测得坐标为B，利用两个坐标即可求出它的航向，即可以确定 偏航角，且不受磁场的影响，但这种检测方式只有当载体产生大范围位移的时候 才有效(GPS民用精度大概为10米级)。

⑤气压传感器

   气压传感器，用于测量物体所在平面的高度。气压是由地表空气的重力所产生的。海拔高的地方，地表的空气厚度小，气压低;海拔低的地方，地表的空气厚度大，气压高。通过测标准值比较，就可以获得物体所在位置的高度。这就是气压高度计的基本测量原理。在实际应用中，需要结合温度等对测量结果进行修正。
 

总结

1)   加速度传感器: 利用了地球万有引力，把重力加速度投影到X，Y，Z轴上，测量出物体的姿势。
2） 地磁传感器: 利用了地球南北极的磁场所产生的吸力，并投影到X，Y，Z轴上，测量出物体的方位和姿态。
3） 角速度传感器: 利用旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时的不变性，测量外力对物体的影响。

4)    气压传感器: 利用空气的压力，测量出物体所在位置的高度。

3.姿态融合
     可以发现，使用陀螺仪检测角度时，在静止状态下存在缺陷，且受时间影响，而加速度传感器检测角度时，在运动状态下存在缺陷，且不受时间影响，刚好互补。假如我们同时使用这两种传感器，并设计一个滤波算法，当物体处于静止状态时，增大加速度数据的权重，当物体处于运动状时，增大陀螺仪数据的权重，从而获得更准确的姿态数据。

     同理，检测偏航角，当载体在静止状态时，可增大磁场检测器数据的权重，当载体在运动状态时，增大陀螺仪和GPS检测数据的权重。这些采用多种传感器数据来检测姿态的处理算法被称为姿态融合。