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設(shè)備與工具三、地磁傳感器（數(shù)字羅盤(pán)）
地磁傳感器，即數(shù)字羅盤(pán)，是用來(lái)確定方向的。它利用地磁場(chǎng)來(lái)定北極，其基本原理和指南針差不多。三維地磁傳感器通過(guò)給出在X軸，Y軸和Z軸上的地磁力投影，可以提供活動(dòng)物體的航向角 、俯仰角和橫滾角，從而可以確定物體的姿態(tài)，實(shí)際上就是確定了物體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間的方位關(guān)系。不過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中，需要注意周?chē)矬w所產(chǎn)生出來(lái)的磁場(chǎng)對(duì)傳感器造成的干擾。
四、氣壓傳感器（氣壓計(jì)）
氣壓傳感器，利用空氣的壓力，測(cè)量出物體所在位置的高度。其作用就是用于測(cè)量物體所在平面的高度。氣壓是由地表空氣的重力所產(chǎn)生的。海拔高的地方，地表的空氣厚度小，氣壓低；海拔低的地方，地表的空氣厚度大，氣壓高。通過(guò)測(cè)量所在地的大氣壓值，與標(biāo)準(zhǔn)值比較，就可以獲得物體所在位置的高度。這就是氣壓高度計(jì)的基本測(cè)量原理。在實(shí)際應(yīng)用中，需要結(jié)合溫度等對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。
五、各種傳感器分析
對(duì)于角速度傳感器，加速度傳感器，地磁傳感器和氣壓傳感器，除了氣壓傳感器外，余下的三個(gè)傳感器均能提供X、Y、Z三軸的測(cè)量數(shù)據(jù)，綜合在一起，可以稱做10軸傳感器。為了方便更好理解各個(gè)傳感器的功能，總結(jié)如下：
（1）角速度傳感器：利用旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí)的不變性，測(cè)量外力對(duì)物體的影響。跟地球萬(wàn)有引力和地球南北極的磁力具有固定方向性不同，旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸方向是不確定的，因而角速度傳感器只能用來(lái)測(cè)量位置改變，而無(wú)法像加速度傳感器和地磁傳感器那樣，測(cè)量出物體的絕對(duì)角度和姿勢(shì)。我們必須要注意，角速度傳感器輸出的角速度是瞬時(shí)量，它的測(cè)量基準(zhǔn)是自身，并沒(méi)有系統(tǒng)外的絕對(duì)參照物。
（2）加速度傳感器：利用了地球萬(wàn)有引力，把重力加速度投影到X、Y、Z軸上，測(cè)量出物體的姿勢(shì)。
（3）地磁傳感器：利用了地球南北極的磁場(chǎng)所產(chǎn)生的吸力，并投影到X、Y、Z軸上，測(cè)量出物體的方位和姿態(tài)。
可以看出，除了氣壓傳感器外，加速度傳感器，地磁傳感器和角速度傳感器均可以用于對(duì)物體的姿勢(shì)進(jìn)行檢測(cè)，從而對(duì)四軸飛行器平衡進(jìn)行控制。那么它們的缺點(diǎn)分別是什么呢？
對(duì)于地磁傳感器：磁場(chǎng)是非常容易發(fā)生干擾的。所謂電磁效應(yīng)，即電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。我們單純用地磁傳感器來(lái)控制四軸飛行器的平衡，那么一個(gè)電器產(chǎn)生的磁力感應(yīng)有可能被誤認(rèn)為是飛行器的姿勢(shì)發(fā)生了改變，從而引起微處理器改變電機(jī)的平衡轉(zhuǎn)速，從而導(dǎo)致四軸飛行器失去平衡。飛行器中最容易產(chǎn)生磁場(chǎng)的就是電機(jī)，也就是說(shuō)，電機(jī)不通電能夠測(cè)出地磁場(chǎng)，一通電，磁場(chǎng)傳感器就傻了。如果做的不是靜態(tài)模型，建議不要考慮磁場(chǎng)了，為自己省點(diǎn)銀子。
對(duì)于加速度傳感器，我們知道運(yùn)動(dòng)中的物體會(huì)產(chǎn)生包括重力加速度在內(nèi)的各種各樣的加速度。當(dāng)四軸飛行器起飛的一霎那，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速本身的重量和轉(zhuǎn)速誤差，我們無(wú)法感知飛行器本身的受力情況，從而無(wú)法通過(guò)加速度來(lái)判別物體的姿勢(shì)。要獲得準(zhǔn)確的物體角度和姿勢(shì)，加速度傳感器就需要在靜止或者勻速的情況下進(jìn)行測(cè)量，而飛行器起飛的瞬間，物體是運(yùn)動(dòng)的，所以你無(wú)法用它來(lái)平衡四軸飛行器。
對(duì)于角速度傳感器：角速度傳感器是理想的平衡控制傳感器，它能感知物體的運(yùn)行變化。四軸飛行器的微處理器通過(guò)讀取這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)變化進(jìn)行反饋控制，即可以使得物體保持平衡。四軸飛行器在起飛瞬間，飛行器在四個(gè)電機(jī)的作用力下，開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，由于不同電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力差異，飛行器姿勢(shì)會(huì)發(fā)生改變，微處理器獲得這些改變后，微調(diào)各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使得飛行器達(dá)到平衡。
那么只有角速度傳感器的四軸飛行器可以飛嗎？理論上是可行的，但是，角速度傳感器無(wú)法絕對(duì)定位自己的位置和姿勢(shì)，它只是感知物體的姿勢(shì)改變，然后通過(guò)微控制器來(lái)阻止這種改變，從而獲得平衡。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，四軸飛行器起飛瞬間，如果它的位置是斜的，那么它平衡后，位置也是斜的，因?yàn)樗鼰o(wú)法知道自己的初始狀態(tài)。所以只有角速度傳感器的四軸飛行器無(wú)法水平飛行，無(wú)法感應(yīng)飛行姿勢(shì)，也無(wú)法修正飛行姿勢(shì)。此外，還需要注意，角速度傳感器輸出的瞬時(shí)量其實(shí)并不適合于用來(lái)直接進(jìn)行平衡控制。
至于氣壓傳感器，是測(cè)量飛行器高度，可用于導(dǎo)航。
六、四軸飛行器之平衡和姿勢(shì)控制
下面談下如何進(jìn)行四軸飛行器的平衡和姿勢(shì)控制。
角速度傳感器輸出的角速度是瞬時(shí)的角加速度量，一般的平衡控制系統(tǒng)不能直接使用它。我們需要得到角度的變化量來(lái)進(jìn)行平衡控制，這就需要使用角速度和時(shí)間進(jìn)行積分運(yùn)算，從而得到角度的變化量。然后這個(gè)角度的變化量就能用于平衡控制。所以在實(shí)際的四軸飛行系統(tǒng)中，首先要對(duì)角速度傳感器做 PI運(yùn)算。PI是比例積分控制，是滯后校正，它是PID（比例/積分/微分）發(fā)展起來(lái)的一種PID改進(jìn)算法。P是指比例控制，其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。I是指積分控制，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。PID是一種閉環(huán)控制算法，必須在硬件上具有閉環(huán)系統(tǒng)，即控制系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)。PID（比例/積分/微分）并不是必須同時(shí)具備三種算法，可以是PD、PI，甚至P算法控制。單純的P算法控制是最簡(jiǎn)單的，以四軸飛行器為例，就是把角加速度數(shù)據(jù)讀回來(lái)，是正就電機(jī)加速，是負(fù)就電機(jī)減速，或做相反控制。對(duì)于單純的P(比例)控制，反映系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，可以通過(guò)加快調(diào)節(jié)來(lái)減小誤差，但是使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。I（積分）和D(微分)不能單獨(dú)起作用，必須和P(比例)控制配合使用， I（積分）反映系統(tǒng)的累計(jì)偏差，使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差。D(微分)反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，從而進(jìn)行超前控制。四軸飛行器一般只用到PI算法。理論上，如果我們知道物體的初始姿勢(shì)，通過(guò)角速度傳感器的上述積分運(yùn)算，我們也能得到物體的最終姿勢(shì)，但是，我們知道積分運(yùn)算是有誤差的，隨著時(shí)間的流逝，誤差越來(lái)越大，最終這個(gè)計(jì)算出來(lái)的變化的角度就和實(shí)際的角度相差較遠(yuǎn)，從而導(dǎo)致姿勢(shì)和我們預(yù)想的發(fā)生偏差。加速度傳感器是以重力作為參考力方向的，在無(wú)外力的情況下，測(cè)量出來(lái)的是物體的絕對(duì)姿勢(shì)。但是它無(wú)法區(qū)分重力加速度和外力加速度。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)中的四軸飛行器同時(shí)受到重力和外力的作用，所以加速度傳感器的姿勢(shì)輸出也無(wú)法反映飛行器最真實(shí)的姿態(tài)。所以在沒(méi)有其它參照物的基礎(chǔ)上，就要充分了解這兩種傳感器的特性，揚(yáng)長(zhǎng)避短，在短時(shí)間內(nèi)使用角加速度的值，在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)使用加速度的值進(jìn)行校正，從而得到接近真實(shí)值的姿勢(shì)。加速度與角速度融合求解姿態(tài)最正確的方法是利用動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波進(jìn)行輸出，它能夠自動(dòng)根據(jù)觀測(cè)量修正狀態(tài)參量，但是卡爾曼濾波算法比較復(fù)雜，非常難懂，沒(méi)有一定的功底是不好做的。
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