加速度计、角度传感器知识整理与解析

加速度计、角度传感器知识

整理与解析

1、传感器基础知识 (2)

2、比力 (2)

3、加速度传感器测量倾角原理 (3)

4、Question and answer (3)

5、电子罗盘 (3)

7、陀螺仪和加速度计的区别与联系 (4)

8、常用芯片介绍 (4)

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1、传感器基础知识

陀螺和加速度计是惯性器件，是用来测量相对惯性空间的角速度（或对于积分类型的陀螺来说是角增量）和加速度。

在三维空间中，描述一个刚体运动要六轴，三轴加速度，三轴角速度。

加速度传感器：测量加速度的值，是指直线运动，一般以重力加速度g为单位。

角度传感器：测量角度的传感器，范围比较广泛各种角度与倾角传感器有些不一样。角度传感器可以是垂直的，各种安装方式都行，是指相对角度。多数的角度传感器是以加速计为基础，通过重力加速度分量估算角度，通常也会要求在静态下测量。

倾角传感器：倾角传感器其实是个绝对角度，原型是加速度传感器，是指被测物体与地球引力（垂直地球）的夹角。所以它应该是个绝对值。

加速度是测量轴向的力，由F=ma，m已知，就可以知道力(加速度)的大小，所以惯导系统的里都是讲“比力”，因为力是比较出来的。

2、比力

比力：单位质量上作用的非引力外力。

通常我们说“用加速度计测量载体的运动加速度”，实际上这个说法并不确切，因为加速度计测量的不是载体的运动加速度，而是载体相对惯性空间的绝对加速度和引力加速度之差，称作“比力”---艾弗里尔B，查特菲尔德著.高精度惯性导航基础.北京：国防工业出版社，2002.

在一般线加速度计中测量的是比力(a+g)不能分辨出重力加速度g和运动加速度a。一个加速度计只能测量一个方向的比力，测量矢量必须使用三个加速度计；测量值与安装方向、姿态有关，且受安装精度影响。

三个加速度计垂直安装可测量比力矢量，进而得到运动加速度。

3、加速度传感器测量倾角原理

三轴加速度传感器以重力为输入矢量来决定物体在空间的姿态，把加速度传感器固定在物体的水平面上，当物体姿态改变时，通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。

4、Question and answer

Q：固定位置输出定值是否应该是三轴加速度传感器呢，就是根据重力加速度测量本身的位置呢？

A：位置固定時，未受到外力影响，沒有转动，加速度计或陀螺仪输出就是定值+噪声。

但是跟用加速度计测量[位置]則是两回事。

Q：为啥四轴要装加速度传感器和角速度传感器呢，位置传感器与角速度传感器有什么区别呢？

A：物体在自由空间的运动是两种运动的组合：质心的平移+围绕质心的转动，因此，物体运动有6DOF，6个自由度：3个平移自由度+3个转动自由度。

我理解认为，加速度计数据由于短期不可信而长期可信，所以来配合陀螺仪测量转动的，防止只有陀螺仪造成的角度误差及发散，共同测量围绕质心的转动。

IMU即便静止状态，位置和姿态的输出也会因为各种误差以及噪声产生偏移和误差。

5、电子罗盘

还有，大家对电子罗盘理解都有些片面，电子罗盘未必一定是磁罗盘，用磁阻传感器做的罗盘，受铁磁性零件的影响太大。实际应用中不多，部队列装与科研单位中用的电子指北仪中，更多是基于陀螺仪做的。

电子罗盘，也叫指南针，指北针或者罗盘，罗经都有人叫。是通过磁传感器测量地磁磁场来判别磁方向的，是个绝对值。但

电子罗盘一指向磁北（如果没有做磁偏角计算的话），不是地北。

7、陀螺仪和加速度计的区别与联系

陀螺仪测角速度的，加速度是测线性加速度的。前者是惯性原理，后者是利用的力平衡原理。

加速度计在较长时间的测量值是正确的，而在较短时间内由于信号噪声的存在，而有误差。陀螺仪在较短时间内则比较准确而较长时间则会有与漂移而存有误差。因此，需要两者（相互调整，即互补滤波）来确保运行姿态。

现在一般的姿态方面的惯性应用，如IMU（惯性测量单元），由三轴陀螺仪和三轴加速度计组合而成。

8、常用芯片介绍

MPU-6000（6050）的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec(dps)，可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g±8g 与±16g。产品传输可透过最高至400kHz的IC或最高达20MHz 的SPI（MPU-6050没有SPI）。MPU-6000可在不同电压下工作，VDD供电电压介为2.5V±5%、3.0V±5%或3.3V±5%，逻辑接口VVDIO供电为1.8V±5%（MPU6000仅用VDD）。MPU-6000的包装尺寸4x4x0.9mm(QFN)，在业界是革命性的尺寸。其他的特征包含内建的温度感测器、包含在运作环境中仅有±1%变动的振荡器。