加速度傳感器 陀螺儀：加速度傳感器和陀螺儀如何讓無人機(jī)飛得更穩(wěn)
在無人飛行器的飛機(jī)姿態(tài)控制這一重要應(yīng)用上，以MEMS加速度傳感器、MEMS陀螺儀為主的傳感類硬件的應(yīng)用可謂是大放異彩。
在無人機(jī)飛行姿態(tài)控制中，通常在用MEMS傳感器測(cè)量角度的變化時(shí)，一般都要選擇組合式的傳感器。也就是說，既不能單純地依賴加速度傳感器，也不能單純依賴陀螺儀。為什么呢？
究其原因，這是由每種傳感器自身的局限性所決定的。
例如，陀螺儀輸出的是角速度，要通過積分才能獲得角度，但是即使在零輸入狀態(tài)時(shí)，陀螺儀仍是有輸出的，它的輸出是白噪聲和慢變隨機(jī)函數(shù)的疊加，受此影響，在積分的過程中，必然會(huì)引進(jìn)累計(jì)誤差，積分時(shí)間越長，誤差就越大。這時(shí)候，便需要加速度傳感器的加入，利用加速度傳感器來對(duì)陀螺儀進(jìn)行校正。
由于加速度傳感器可以利用力的分解原理，通過重力加速度在不同軸向上的分量來判斷傾角。同時(shí)，它沒有積分誤差，所以加速度傳感器在相對(duì)靜止的條件下，可以有效校正陀螺儀的誤差。但在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，加速度傳感器輸出的可信度就要下降，因?yàn)樗鼫y(cè)量的是重力和外力的合力。
目前，無人機(jī)在應(yīng)用中的較常見算法，就是利用互補(bǔ)濾波，即結(jié)合加速度傳感器和陀螺儀的輸出，來算出角度變化。
另外，無人機(jī)應(yīng)用的環(huán)境決定了它所使用的MEMS傳感器必須適用于各種惡劣條件，同時(shí)獲得高精度的輸出。
例如，陀螺儀的理想輸出是只響應(yīng)角速度變化，但實(shí)際上受設(shè)計(jì)和工藝的限制，陀螺儀對(duì)加速度也是敏感的，就是我們?cè)谕勇輧x數(shù)據(jù)手冊(cè)上常見的deg/sec/g的指標(biāo)。對(duì)于多軸飛行器的應(yīng)用來說，這個(gè)指標(biāo)尤為重要，因?yàn)轱w行器中的馬達(dá)一般會(huì)帶來較強(qiáng)烈的振動(dòng)，一旦減震控制不好，就會(huì)在飛行過程中產(chǎn)生很大的加速度，那勢(shì)必會(huì)帶來陀螺儀輸出的變化，進(jìn)而引起角度變化，馬達(dá)就會(huì)誤動(dòng)作，最后帶給用戶的直觀感覺就是飛行器飛得不穩(wěn)。
飛行控制系統(tǒng)(Flight control system)簡稱飛控，可以看作飛行器的大腦。多軸飛行器的飛行、懸停，姿態(tài)變化等等都是由多種傳感器將飛行器本身的姿態(tài)數(shù)據(jù)傳回飛控，再由飛控通過運(yùn)算和判斷下達(dá)指令，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作和飛行姿態(tài)調(diào)整。
控可以理解成無人機(jī)的CPU系統(tǒng)，是無人機(jī)的核心部件，其功能主要是發(fā)送各種指令，并且處理各部件傳回的數(shù)據(jù)。類似于人體的大腦，對(duì)身體各個(gè)部位發(fā)送指令，并且接收各部件傳回的信息，運(yùn)算后發(fā)出新的指令。例如，大腦指揮手去拿一杯水，手觸碰到杯壁后，因?yàn)樗珷C而縮回，并且將此信息傳回給大腦，大腦會(huì)根據(jù)實(shí)際情況重新發(fā)送新的指令。
舉報(bào)/反饋
加速度傳感器 陀螺儀：智能手機(jī)傳感器里的線性加速度器、陀螺儀、重力感應(yīng)儀，有什么區(qū)別？
百度google上確實(shí)有專業(yè)的科學(xué)的回答，但大家從原理，區(qū)別，用途三點(diǎn)討教一下。
我總結(jié)的，請(qǐng)各位批評(píng)指正：
前提：手機(jī)左右方向是x軸、上下方向是y軸、垂直于屏幕的是z軸。
1. 線性加速度器
| 施力者：線性加速度引起的慣性力；
| 原理：測(cè)量x、y、z軸的線性加速度，計(jì)算出速度和路徑
| 用途：微信搖一搖
2. 陀螺儀（三軸）
| 施力者：角動(dòng)量引起的扭力
| 原理：測(cè)量x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)加斯度
| 用途：google星空，iOS的射擊游戲
3. 重力感應(yīng)器
| 施力者：地球的萬有引力
| 原理：測(cè)量萬有引力對(duì)x、y、z軸的作用力，來判斷手機(jī)的水平面，從而計(jì)算出手機(jī)屏幕和水平面的交角？
| 用途：iOS的照片自動(dòng)翻轉(zhuǎn)、重力滾珠迷宮
陀螺儀就是內(nèi)部有一個(gè)陀螺，陀螺儀一旦開始旋轉(zhuǎn)，由于輪子的角動(dòng)量，陀螺儀有抗拒方向改變的特性，它的軸由于陀螺效應(yīng)始終與初始方向平行，這樣就可以通過與初始方向的偏差計(jì)算出實(shí)際方向。手機(jī)里陀螺儀實(shí)際上是一個(gè)結(jié)構(gòu)非常精密的芯片，內(nèi)部包含超微小的陀螺。陀螺儀測(cè)量是參考標(biāo)準(zhǔn)是內(nèi)部中間在與地面垂直的方向上進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺。通過設(shè)備與陀螺的夾角得到結(jié)果。陀螺儀的強(qiáng)項(xiàng)在于測(cè)量設(shè)備自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。對(duì)設(shè)備自身運(yùn)動(dòng)更擅長。但不能確定設(shè)備的方位。（線性）加速計(jì)是用來檢測(cè)手機(jī)受到的加速度的大小和方向的，而手機(jī)靜置的時(shí)候是只受到重力加速度。所以很多人把加速計(jì)功能又叫做重力感應(yīng)功能。加速計(jì)是以內(nèi)部測(cè)量組件在各個(gè)方向上的受力情況來得到結(jié)果。加速計(jì)的強(qiáng)項(xiàng)在于測(cè)量設(shè)備的受力情況。對(duì)設(shè)備相對(duì)外部參考物(比如，地面)的運(yùn)動(dòng)更擅長。另外，磁力計(jì)和GPS定位有時(shí)候也會(huì)同時(shí)輔助來做一項(xiàng)探測(cè)。不認(rèn)為陀螺儀等同于非線性加速器。
重力傳感器，重力感應(yīng)器，加速度傳感器，g sensor，加速度計(jì)是一回事。
陀螺儀
原理：用在手機(jī)里面的陀螺儀都是MEMS陀螺儀，里面的微機(jī)械結(jié)構(gòu)為振動(dòng)件,如下圖（不同意排名最高的說法，有旋轉(zhuǎn)件的是傳統(tǒng)的陀螺儀），通過測(cè)量旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科氏加速度來獲得角速度。
用途：照相防抖，以及配合加速度計(jì)（有的還有磁傳感器）形成的組合傳感器來完成特定的功能（如慣性導(dǎo)航，還有玩游戲時(shí)的一些角速度測(cè)試）
來源：百度圖片。意法半導(dǎo)體的3軸陀螺儀MEMS芯片結(jié)構(gòu)
加速度計(jì)
原理：用在手機(jī)里的加速度計(jì)同樣是MEMS的，也是由振動(dòng)結(jié)構(gòu)，由于外界加速度會(huì)影響結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，由此來測(cè)量加速度。
用途：用途很多，只要跟手機(jī)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的幾乎都與加速度計(jì)有關(guān)（計(jì)步、手機(jī)的姿態(tài)測(cè)量、相關(guān)的游戲等等）
什么是線性加速度計(jì)？由于加速度計(jì)的輸出包含了重力加速度，線性加速度計(jì)簡單來說就是排除了重力加速度的影響得到的值。
重力感應(yīng)儀
原理：嚴(yán)格來說，重力感應(yīng)儀就是加速度計(jì)。像手機(jī)里面說的重力感應(yīng)器、方向感應(yīng)器等等都是基于加速度計(jì)、陀螺儀、磁傳感器（有的還有GPS）的數(shù)據(jù)獲得的派生傳感器。
區(qū)別：
加速度計(jì)和陀螺儀：從原理來說，陀螺儀和加速度計(jì)都是通過振動(dòng)測(cè)量加速度的，只不過陀螺儀測(cè)量的是科氏加速度，而加速度計(jì)是測(cè)量的直接加速度。MEMS陀螺儀可以簡單理解為一個(gè)諧振器+加速度計(jì)。因此陀螺儀的結(jié)構(gòu)要比加速度計(jì)復(fù)雜得多，技術(shù)也難得多。
重力傳感器，方向傳感器（電子羅盤），旋轉(zhuǎn)傳感器（姿態(tài)傳感器）：這三種都是派生的3D傳感器。重力傳感器是通過測(cè)量重力加速度方向來判斷重力的方向，那跟旋轉(zhuǎn)傳感器有什么區(qū)別呢？旋轉(zhuǎn)傳感器用到了陀螺儀的數(shù)據(jù)，在動(dòng)態(tài)情況（比如你在邊走邊看手機(jī)）也能很好的判斷手機(jī)的姿態(tài)角。方向傳感器則是主要通過磁傳感器來測(cè)量地磁場(chǎng)來判斷方向（類似指南針的作用），有時(shí)還需要配合GPS（各地的磁場(chǎng)不一樣）。這些傳感器能配合非常多的應(yīng)用，如地圖導(dǎo)航（手機(jī)上傳感器的精度還不能滿足慣導(dǎo)，主要是充當(dāng)輔助的作用，比如判斷你的朝向）。
--利益相關(guān)---
傳感器方向博士僧
我寫了一個(gè)安卓的手勢(shì)軟件-微動(dòng)手勢(shì)，專門使用陀螺儀來檢測(cè)微小的手勢(shì)，當(dāng)初我也嘗試檢測(cè)了各種傳感器，最終發(fā)現(xiàn)陀螺儀是最合適的，簡單的說：
陀螺儀適合檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，并且一般手機(jī)都可以做到三軸，識(shí)別精度可以很高，參考下面的視頻。加速度傳感器和重力傳感器在手機(jī)里通常是一個(gè)物理傳感器，只是推導(dǎo)得到不同的數(shù)據(jù)，適合檢測(cè)線性的運(yùn)行加速度和手機(jī)姿態(tài)。
使用陀螺儀的演示視頻：
加速度傳感器 陀螺儀：陀螺儀傳感器和加速度傳感器有什么區(qū)別？
對(duì)于不熟悉這類產(chǎn)品的人來說，陀螺儀傳感器是一個(gè)簡單易用的基于自由空間移動(dòng)和手勢(shì)的定位和控制系統(tǒng)。在假想的平面上揮動(dòng)鼠標(biāo)，屏幕上的光標(biāo)就會(huì)跟著移動(dòng)，并可以繞著鏈接畫圈和點(diǎn)擊按鍵。當(dāng)你正在演講或離開桌子時(shí)，這些操作都能夠很方便地實(shí)現(xiàn)。 陀螺儀傳感器原本是運(yùn)用到直升機(jī)模型上的，已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于手機(jī)這類移動(dòng)便攜設(shè)備上（IPHONE的三軸陀螺儀技術(shù)）。
陀螺儀傳感器工作原理：
陀螺儀的原理就是，一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí)，是不會(huì)改變的。人們根據(jù)這個(gè)道理，用它來保持方向。然后用多種方法讀取軸所指 示的方向，并自動(dòng)將數(shù)據(jù)信號(hào)傳給控制系統(tǒng)。我們騎自行車其實(shí)也是利用了這個(gè)原理。輪子轉(zhuǎn)得越快越不容易倒，因?yàn)檐囕S有一股保持水平的力量。現(xiàn)代陀螺儀可以 精確地確定運(yùn)動(dòng)物體的方位的儀器，它在現(xiàn)代航空，航海，航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器。傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要部分有機(jī)械式的陀螺儀，而機(jī)械 式的陀螺儀對(duì)工藝結(jié)構(gòu)的要求很高。70年代提出了現(xiàn)代光纖陀螺儀的基本設(shè)想，到八十年代以后，光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發(fā)展，激光諧振陀螺儀也有了很 大的發(fā)展。光纖陀螺儀具有結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高，工作可靠。光纖陀螺儀在很多的領(lǐng)域已經(jīng)完全取代了機(jī)械式的傳統(tǒng)的陀螺儀，成為現(xiàn)代導(dǎo)航儀器中的關(guān)鍵部件。光纖陀螺儀同時(shí)發(fā)展的除了環(huán)式激光陀螺儀外。
陀螺儀傳感器應(yīng)用：
1、國防工業(yè)
陀螺儀傳感器原本是運(yùn)用到直升機(jī)模型上的，而它現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于手機(jī)這類移動(dòng)便攜設(shè)備上，不僅僅如此現(xiàn)代陀螺儀是一種能夠精確地確定運(yùn)動(dòng)物體的方位的儀器，所以陀螺儀傳感器是現(xiàn)代航空，航海，航天和國防工業(yè)應(yīng)用中的必不可少的控制裝置。陀螺儀傳感器是法國的物理學(xué)家萊昂·傅科在研究地球自轉(zhuǎn)時(shí)命名的，到如今一直是航空和航海上航行姿態(tài)及速率等最方便實(shí)用的參考儀表。
2、開門報(bào)警器
陀螺儀傳感器新的應(yīng)用：測(cè)量開門的角度，當(dāng)門被打開一個(gè)角度后，發(fā)出報(bào)警聲，或者結(jié)合GPRS模塊發(fā)送短信以提醒門被打開了。另外，陀螺儀傳感器集 成了加速度傳感器的功能，當(dāng)門被打開的瞬間，將產(chǎn)生一定的加速度值，陀螺儀傳感器將會(huì)測(cè)量到這個(gè)加速度值，達(dá)到預(yù)設(shè)的門檻值后，將發(fā)出報(bào)警聲，或者結(jié)合 GPRS模塊發(fā)送短信以提醒門被打開了。報(bào)警器內(nèi)還可以集成雷達(dá)感應(yīng)測(cè)量功能，主要有人進(jìn)入房間內(nèi)移動(dòng)時(shí)就會(huì)被雷達(dá)測(cè)量到。雙重保險(xiǎn)提醒防盜，可靠性高， 誤報(bào)率低，非常適合重要場(chǎng)合的防盜報(bào)警。
加速度傳感器
加速度傳感器是一種能夠測(cè)量加速力的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是個(gè)常量，比如g，也可以是變量。加速度計(jì)有兩種：一種是角加速度計(jì)，是由陀螺儀（角速度傳感器）的改進(jìn)的。另一種就是線加速度計(jì)。
加速度傳感器工作原理：
線加速度計(jì)的原理是慣性原理，也就是力的平衡，A(加速度)=F(慣性力)/M(質(zhì)量) 我們只需要測(cè)量F就可以了。怎么測(cè)量F？用電磁力去平衡這個(gè)力就可以了。就可以得到 F對(duì)應(yīng)于電流的關(guān)系。只需要用實(shí)驗(yàn)去標(biāo)定這個(gè)比例系數(shù)就行了。當(dāng)然中間的信號(hào)傳輸、放大、濾波就是電路的事了。
多數(shù)加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)的原理來工作的。
加速度傳感器應(yīng)用：
通過測(cè)量由于重力引起的加速度，你可以計(jì)算出設(shè)備相對(duì)于水平面的傾斜角度。通過分析動(dòng)態(tài)加速度，你可以分析出設(shè)備移動(dòng)的方式。但是剛開始的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)光測(cè)量傾角和加速度好像不是很有用。但是，工程師們已經(jīng)想出了很多方法獲得更多的有用的信息。
陀螺儀傳感器和加速度傳感器的區(qū)別：
陀螺儀測(cè)角速度的，加速度是測(cè)線性加速度的。前者是慣性原理，后者是利用的力平衡原理。
加速度計(jì)在較長時(shí)間的測(cè)量值是正確的，而在較短時(shí)間內(nèi)由于信號(hào)噪聲的存在，而有誤差。陀螺儀在較短時(shí)間內(nèi)則比較準(zhǔn)確而較長時(shí)間則會(huì)有與漂移而存有誤差。因此，需要兩者（相互調(diào)整）來確保航向的正確。
加速度傳感器 陀螺儀：陀螺儀和加速度傳感器
今天找pid的資料突然找到了一個(gè)，然后發(fā)現(xiàn)了一個(gè)平衡車的教程，所以就記錄了下來，方便以后看，下面有鏈接所以可以去看一下這個(gè)網(wǎng)站。
1. 加速度傳感器
加速度傳感器，有些人也叫它加速度計(jì)，你只要記住其實(shí)是一個(gè)東西兩個(gè)名字而已。
加速度傳感器，顧名思義，用于測(cè)量由地球引力作用或者物體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的加速度。
為了方便理解，我將加速度分為兩種：由地球引力產(chǎn)生的重力加速度，只要地球還在，重力就不會(huì)消失；由物體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的運(yùn)功加速度，根據(jù)牛二定理，只要有外力作用，便產(chǎn)生加速度。加速度傳感器測(cè)量的是這個(gè)加速度的總和。物體靜止加速度計(jì)測(cè)量的就是重力加速度。
2.陀螺儀
陀螺儀，沒錯(cuò)，它就只叫陀螺儀，沒有其他名字。
陀螺儀，顧名思義，你猜不出它是干嘛的也很正常。但是，現(xiàn)在你要記住了，陀螺儀可以用來測(cè)量物體的旋轉(zhuǎn)角速度。
我們小時(shí)候玩四驅(qū)車的時(shí)候，常說這個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)每秒很牛逼，單位轉(zhuǎn)/秒，那你怎么知道它轉(zhuǎn)每秒，它這樣寫你就信了？如果我們有陀螺儀，把陀螺儀掛到電機(jī)軸上，那么陀螺儀測(cè)量的是旋轉(zhuǎn)角速度，再除于三百六十度（一轉(zhuǎn)）就可以知道這個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速了。實(shí)際上我們不會(huì)這樣測(cè)轉(zhuǎn)速-。 -，這里僅舉個(gè)例子讓你明白陀螺儀是干啥的。
陀螺儀利用了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的物體會(huì)受到科里奧利力的原理。在陀螺儀中利用壓電陶瓷做成振動(dòng)單元，當(dāng)旋轉(zhuǎn)（陀螺儀）時(shí)會(huì)改變振動(dòng)頻率從而反映出物體旋轉(zhuǎn)的角速度。
要獲得角度，就需要對(duì)陀螺儀角速度進(jìn)行積分Angle+ 。Angle是帶有正負(fù)的，正值表示按正向旋轉(zhuǎn)，負(fù)值表示按負(fù)向旋轉(zhuǎn)。具體怎么定義正負(fù)方向，就得看你的運(yùn)用了。
圖5 MPU-6050方向正負(fù)示意圖
由于從陀螺儀角速度獲得角度信息，需要經(jīng)過積分運(yùn)算。如果角速度信號(hào)存在微小 的偏差和漂移，經(jīng)過積分運(yùn)算之后，變化形成積累誤差。這個(gè)誤差會(huì)隨著時(shí)間延長逐步 增加，最終導(dǎo)致電路飽和，無法形成正確的角度信。如圖6所示。
為什么要用加速度計(jì)和陀螺儀兩個(gè)傳感器？
似乎只需要加速度傳感器就可以獲得車模的傾角，再對(duì)此角度值進(jìn)行微分便可以獲得傾角速度。但在實(shí)際車體運(yùn)行過程中，由于車體本身的擺動(dòng)所產(chǎn)生的加速度會(huì)產(chǎn)生很大的干擾信號(hào)，它疊加在上述測(cè)量信號(hào)上使得輸出信號(hào)無法準(zhǔn)確反映車體的傾角，如圖7所示。
圖7 車體運(yùn)動(dòng)引起加速度信號(hào)波動(dòng)
由于陀螺儀輸出的是車體的角速度，不會(huì)受到車體運(yùn)動(dòng)的影響，因此該信號(hào)中噪聲很小。車體的角度又是通過對(duì)角速度積分而得，這可進(jìn)一步平滑信號(hào)，從而使得角度信號(hào)更加穩(wěn)定。因此車模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺儀所得到的信號(hào)。
由于從陀螺儀角速度獲得角度信息，需要經(jīng)過積分運(yùn)算。如果角速度信號(hào)存在微小的偏差和漂移，經(jīng)過積分運(yùn)算之后，變化形成積累誤差。這個(gè)誤差會(huì)隨著時(shí)間延長逐步增加，最終導(dǎo)致電路飽和，無法形成正確的角度信號(hào)，如圖8所示。
圖8 陀螺儀積分誤差
如何消除陀螺儀的累積誤差呢？
一種簡單的方法就是通過加速度傳感器獲得的角度信息對(duì)此進(jìn)行校正。通過對(duì)比陀螺儀積分所得到的角度與重力加速度所得到的角度，使用它們之間的偏差改變陀螺儀的輸出，從而積分的角度逐步跟蹤到加速度傳感器所得到的角度。
一言蔽之，陀螺儀噪聲很小，角速度數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，通過積分得到角度，但是長期積分會(huì)產(chǎn)生累積誤差，需要加速度傳感器來校正此誤差，獲得正確的姿態(tài)數(shù)據(jù)。
轉(zhuǎn)自：
