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加速度计和陀螺(luó)仪的区别

 

加(jiā)速(sù)度计用于测量加速度。借助(zhù)一个三轴加速度计(jì)可以测得(dé)一个固定平(píng)台相对地球表面的运动方(fāng)向,但是(shì)一旦平台(tái)运动起来,情况(kuàng)就会变得复杂的多。如果平台(tái)做自由落体,加速(sù)度(dù)计测得的加(jiā)速度值(zhí)为零。如果平(píng)台朝某个方向做加速度运动,各个轴向加速(sù)度(dù)值会(huì)含有重力产生(shēng)的加速度值(zhí),使得无法获得真正的加速度(dù)值。例如,安装在60度横滚角飞机上的三轴加(jiā)速度(dù)计(jì)会测得2G的垂直加(jiā)速度(dù)值(zhí),而事(shì)实上飞(fēi)机相对地区表面是(shì)60度(dù)的倾角(jiǎo)。因此,单(dān)独使用加速度计无法使飞机保持一(yī)个固定的(de)航(háng)向(xiàng)。

陀螺仪测量机体围(wéi)绕某个(gè)轴向的旋转角速率值。使用陀螺仪测量飞机(jī)机体轴向的旋(xuán)转角速率(lǜ)时,如果飞(fēi)机(jī)在旋转(zhuǎn),测(cè)得(dé)的值为非(fēi)零值,飞机不旋转时,测量的(de)值为零(líng)。因此,在60度横滚角的飞机上的陀螺仪(yí)测(cè)得的横滚角速率值(zhí)为零,同样在飞机做水平直线(xiàn)飞行时,角速率值为零。可(kě)以通过角速率值的(de)时间积分来估计当前(qián)的横(héng)滚(gǔn)角(jiǎo)度(dù),前提(tí)是没有误差的累积。陀螺仪测量(liàng)的(de)值(zhí)会随时间(jiān)漂移,经过(guò)几分钟(zhōng)甚至几秒(miǎo)钟定会累积出额(é)外的误差来,而最终会导致对飞机当前相对水平面(miàn)横滚角度完全错误的认知。因此,单独(dú)使用陀螺仪也无法保持飞机的特(tè)定航向。

一言以蔽之(zhī),加速度(dù)计在较长时间的测量(liàng)值(确定飞机航向)是正确的(de),而在较短时间内由于信号噪声(shēng)的(de)存在,而有(yǒu)误差。陀螺仪(yí)在(zài)较短(duǎn)时间(jiān)内(nèi)则比较准确而较长时间则会有与漂移(yí)而存有误差。因此,需要(yào)两者(相互调整)来确保航向的正确。

即使使用(yòng)了两者,也只可(kě)以用于测得飞机的俯仰和横滚角度。对(duì)于偏航(háng)角度,由(yóu)于偏航角(jiǎo)和重力(lì)方向正交,无法用加速度计测量得到,因此(cǐ)还需(xū)要采用其(qí)他设备来校准(zhǔn)测(cè)量(liàng)偏航角(jiǎo)度的陀螺仪的漂移值。校准的(de)设备(bèi)可以(yǐ)使(shǐ)用磁(cí)罗盘计(电子磁(cí)罗盘,对磁场变化和(hé)惯(guàn)性力敏感)或者(zhě)GPS

GPS数(shù)据(jù)更新较(jiào)慢(1Hz10Hz),并且短时间内存在误(wù)差。可以只用GPS就可(kě)在地(dì)磁(cí)平稳的(de)时间内,在地面跟踪较为稳定和慢速的(de)飞(fēi)行器。

惯性导航单元(IMU)组合(融合)来自(zì)两个或以上的(de)传(chuán)感器(例(lì)如陀螺仪、加速度计、磁(cí)场(chǎng)计和/GPS)信息用于飞机相对地(dì)球的航(háng)向矢量和(hé)速度(dù)矢量。这种融合算法相当复杂,同时还需(xū)要对这些电子器件固有的测量噪声进行特(tè)殊滤波,因此(cǐ)市场(chǎng)上具有还算过得去的参数,“廉价”的IMU的价格也要 10005000美元。

红外水平感应辅助导航(háng)仪价格便(biàn)宜,只要有水平(píng)清晰的视觉(jiào),它(tā)工作良好(hǎo)。不(bú)幸的是,山峰、云层、烟(yān)雾和建筑等(děng)会影响(xiǎng)其水平视(shì)觉。

最后,用于(yú)UAV的导航器的设(shè)计技巧(设计方(fāng)案)依赖于使用目的、经(jīng)费预(yù)算和传感(gǎn)器(qì)数据融合计算、卡尔曼滤波的便(biàn)利性等方面。

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