用手机上的加速度传感器和陀螺仪能否实现惯性导航?

来源:头条 ·2017年10月12日 22:55

对精度要求不是很高,一千米的距离误差50米以内都可以接受,手机上的传感器能达到这个要求吗?

  • 陀螺仪
原理:用在手机里面的陀螺仪都是MEMS陀螺仪,里面的微机械结构为振动件,如下图(不同意排名最高的说法,有旋转件的是传统的陀螺仪),通过测量旋转产生的科氏加速度来获得角速度。
用途:照相防抖,以及配合加速度计(有的还有磁传感器)形成的组合传感器来完成特定的功能(如惯性导航,还有玩游戏时的一些角速度测试)

来源:百度图片。意法半导体的3轴陀螺仪MEMS芯片结构

  • 加速度计
原理:用在手机里的加速度计同样是MEMS的,也是由振动结构,由于外界加速度会影响结构的振动特性,由此来测量加速度。
用途:用途很多,只要跟手机运动相关的几乎都与加速度计有关(计步、手机的姿态测量、相关的游戏等等)
什么是线性加速度计?由于加速度计的输出包含了重力加速度,线性加速度计简单来说就是排除了重力加速度的影响得到的值。
  • 重力感应仪

原理:严格来说,重力感应仪就是加速度计。像手机里面说的重力感应器、方向感应器等等都是基于加速度计、陀螺仪、磁传感器(有的还有GPS)的数据获得的派生传感器。

区别:
加速度计和陀螺仪:从原理来说,陀螺仪和加速度计都是通过振动测量加速度的,只不过陀螺仪测量的是科氏加速度,而加速度计是测量的直接加速度。MEMS陀螺仪可以简单理解为一个谐振器+加速度计。因此陀螺仪的结构要比加速度计复杂得多,技术也难得多。

重力传感器,方向传感器(电子罗盘),旋转传感器(姿态传感器):这三种都是派生的3D传感器。重力传感器是通过测量重力加速度方向来判断重力的方向,那跟旋转传感器有什么区别呢?旋转传感器用到了陀螺仪的数据,在动态情况(比如你在边走边看手机)也能很好的判断手机的姿态角。方向传感器则是主要通过磁传感器来测量地磁场来判断方向(类似指南针的作用),有时还需要配合GPS(各地的磁场不一样)。这些传感器能配合非常多的应用,如地图导航(手机上传感器的精度还不能满足惯导,主要是充当辅助的作用,比如判断你的朝向)。

惯性导航是通过自带的加速度传感器和陀螺仪来计算物体(例如飞机)自身位置和速度的过程。姿态和航向参考系统,即称为AHRS,是一种可以为飞机或其它在空间中自由移动的物体提供方向,姿态和偏航信息的多轴传感器。AHRS是设计来取代传统的机械陀螺飞行仪表,并能提供卓越的可靠性和准确性。它由三个轴向上的固态或MEMS(微机电系统)陀螺仪,加速度传感器和磁强计组成。一些AHRS使用GPS接收机,以改善陀螺仪的长期稳定性。人们通常使用卡尔曼滤波器来计算这些多个来源的结果。

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各组成部分的功能捷联式惯性导航系统需要一个初始化过程来建立飞机机身框架与当地地理参照系统之间的关系。这个被称为对准的过程通常需要设备保持稳定一段时间,以建立该初始状态。初始化时,惯性参考系统通过自校准过程来使地面坐标系的纵轴与检测到的加速度一致(调平),并且测量水平地球速率从而初步判断方位角(陀螺仪)。如果已知该飞行器的初始姿态,并且如果陀螺仪能提供精确的数据,那么姿态处理器就足够了。然而,初始姿态很少能够知道,而陀螺仪也会由于零点漂移、开机稳定性等问题而提供错误的数据。陀螺仪和加速度传感器都会受到零偏和零点漂移、对准偏差、加速度误差(加速度敏感性),非线性效应(二阶项或VRE)、标度因数误差的影响。磁力计也容易受到磁干扰,而影响对地球磁场的的测量。当系统被安装在其最终放置姿态时,这些误差都将被校正。AHRS最大的误差与陀螺仪零点漂移方面有关。如果没有滤波结构来独立地分开加速度传感器、陀螺仪和磁强计的测量,姿态处理器可能会偏离真实的轨迹。卡尔曼滤波姿态校正元件,通过校正姿势处理器轨迹和提供陀螺漂移状态特征,为陀螺仪提供即时校准。加速度传感器可利用地球重力来提供姿态参考,而磁力计则利用地球的磁场矢量提供航向参考。

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加速度传感器在AHRS中的功能一般情况下,在AHRS应用程序中,加速度传感器的作用是提供初始姿态基准(调平),并在飞行过程中,通过纠正陀螺仪的漂移,提供飞行姿态的校正。

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