在飞行器飞行过程中,为了实时的控制飞行器飞行稳定需要获知准确的飞行姿态,而这些姿态是通过各种传感器获得的,传感器的选型及搭配对后续的姿态解算和数据处理往往有着决定性的作用。最基本的姿态信息有:高度(high),俯仰角(pitch),横滚角(roll),航向角(yaw)。此外为了执行更多的功能,还需要获知运行过程中的相对速度(x,y,z方向),位置信息等。
最基本的姿态信息获取传感器有,气压计、加速度计、陀螺仪、磁力计等。而其中的选取对后续的功能开发也有着较大的影响。
常见的加速度计和陀螺仪为封装在一起的芯片,称之为六轴传感器,而市面上六轴传感器也分为很多品牌。ICM20608、MPU6050等,其中ICM系列芯片有着对温度敏感性低的优点,而同类型的MPU系列有价格优势。选用MPU系列6轴传感器需要设计相应的恒温系统来保证姿态解算的稳定性和准确性,这也额外的增加了设计成本和控制的复杂度。
气压计是为了获得飞行器在运行过程的绝对高度,不受天气和地理影响,稳定性高、解算简单、不受飞行器的姿态影响等优点,但是由于气压计本身精度问题目前气压计的最高水平也仅为10cm精度左右且结果波动较大,包含高频噪声,数据获取频率较低(50Hz左右)等缺点,单独使用气压计获取高度信息来控制姿态并不常见,需要进行数据滤波和数据融合来获取较为准确的高度信息。常见的气压计类型有:MS5611,BMP180,BMP280,英飞凌SPL06等,其中这几款都有应用在飞控上,且性能,价格各有优势,精度和数据获取速率都不相同,其中MS5611兼具有精度和数据获取速度上的优势。
虽然利用加速传感器和陀螺仪,基本可以描述飞行器的完整运动状态和航向。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,为了能获取飞行器的绝对航向信息,磁力计的数据可以根据地球磁场信息来修正飞行器获得地理真航向。常用的磁力计有AK系列的AK8975等,HMC5883、QMC5883等,通过对以上几种磁力计实际测试发现,精度和稳定度上HMC>QMC>AK,数据读取速率上有QMC>HMC>AK效果,但是因为优秀的融合算法和亲民的价格AK89xx系列磁力计也被广泛使用在各种常见飞控上。
目前很多芯片为了更加方便的解决用户获取姿态信息,会把磁力计、加速度计、陀螺仪都封装在一块芯片上从而诞生了9轴传感器。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,为用户简化了PCB设计中单独考虑磁力计安放位置的烦恼,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。市场上常见的9轴传感器有MPU9250,ICM60948等,都是通过六轴+磁力计的方式。其中MPU固有的温差漂移大于ICM系列导致MPU9250始终在精度和性能方面上弱于ICM,但其价格原因和市场广泛的推广率使得MPU仍然占据着大量的市场,充足的开发资料也让很多电子设计人员选择MPU系列9轴传感器。
总体而言,市场上完善初代飞行控制系统的搭配多为:MPU6050(六轴传感器)+AK8975(磁力计)+MS5611(气压计)的搭配。这种搭配对于数据融合和滤波方面有着较高的要求,一些优秀的姿态输出模块的搭配多为:ICM20602(六轴传感器)+QMC5883(磁力计)+SPL06,这种搭配可以对温度要求较低,且获得的数据较为稳定效果,能方便的为用户做二次开发。对于一些要求较高的用户推荐的搭配为:ICM20602+QMC5883+MS5611,不仅在精度上能做到准确,稳定性和快速性上也能获得优秀的性能。同时考虑到温度的影响,建议在设计时考虑恒温系统以获得最佳性能,最佳精度和准确度。
最后,传感器选取也应考虑芯片的读取方式,常见的读取方式为IIC,SPI。由于SPI读取速度高于IIC,为了能在最短时间获取姿态数据,减少CPU的负荷,也尽量选取统一的读取方式,优秀的搭配模式应为统一的SPI读取模式。