【空心杯四旋翼TinyLeaf】传感器入门

传感器是飞行器的“眼睛耳朵”，有了传感器，才可以根据控制律对被控对象进行闭环控制。各种各样的传感器，满足了飞行器各式各样的控制需求。

1 姿态传感器

加速度计

陀螺仪

磁力计

2 距离传感器

超声波测距传感器

ToF激光测距传感器

红外测距传感器

3 气压计

4 空间定位传感器（GPS/北斗/RTK/UWB）

5 光流传感器

6 视觉传感器

7 激光雷达

笔者用过传感器有限，使用过的传感器会详细一些，没有使用过或不太了解的先占坑，有机会用到了正在详细叙述。

1 姿态传感器

姿态传感器是飞行器姿态控制的核心，姿态不能收敛，后续的一切都无从谈起。姿态传感器是一类传感器的统称，没有什么传感器是会直接告诉你姿态的，姿态必然是通过一系列运算得到的（不包括自带姿态解算功能的芯片或带有协处理单片机的模块）。姿态传感器主要包括加速度计，陀螺仪，磁力计。根据这些传感器的数据，通过一定的解算，就可以得到姿态角，目前较为广泛使用的算法是四元数变换。

加速度计

测量传感器所受加速度在XYZ三轴上的分量。在不受外力的情况下，三轴分量的矢量和就是重力。因此在静止的情况下，可以通过加速度计的读数估计出传感器目前相对地面的位置。

陀螺仪

测量传感器在XYZ三轴轴向的旋转角速度，这类传感器是动态控制的关键，因为传感器在发生转动的时候才会有非零的读数，四旋翼飞行器的姿态控制在一般要求下要求俯仰和横滚角角速度为0，就是通过陀螺仪实现的。

磁力计

测量空间地磁场在XYZ三轴的分量，磁力计对于飞行器的航向控制的抗漂移非常关键，陀螺仪和加速度计的数据融合，陀螺仪负责积分得到转过角度，加速度计通过重力分量纠偏，抑制数据漂移，可以较好的估计出俯仰和横滚的角度，而航向角所在平面与大地平行，加速度计无法参与纠偏。这时候就需要磁力计提供的地磁场方向来观测航向，从而抑制航向的漂移。

笔者用过的传感器有MPU6050（一款六轴姿态传感器，模块很便宜，实质是加速度计+陀螺仪）、MPU9250（一款九轴姿态传感器，实质是加速度计+陀螺仪+磁力计），HMC5983(一款磁力计，已经停产，比较贵。但是稳定且好用)。

2 距离传感器

距离传感器测量反射面与传感器之间的距离，在飞行器控制中主要用来避障和定高。根据原理可以分为以下几类：

超声波测距传感器

超声波传感器通过发送指定频率超声波，根据反射回波与发射的间隔时间，根据超声波传播的速度计算传感器与反射面的距离，这类传感器价格差异大，测量距离一般在3cm-5m之间，精度在0.5cm左右。此类传感器要求反射面必须足够大，且需要光滑。

ToF激光测距传感器

通过发射激光，根据光反射回传感器的时间计算距离，精度较高，一般可达到毫米级。要求反射面较大，且具备反射光的条件（光滑，非透明）。距离在10cm~10m量级。笔者使用的型号有VL53L0X与VL53L1X。

红外测距传感器

实际为光电对管，其中一只发射红外光，另一只接受发射的红外光强度，当传感器与反射面较近时才可以接受到较强得到反射，因而不能测量精确的距离，一般用作避障的传感器。

3 气压计

气压随着海拔高度变小，通过测量气压就可以估算出飞行器当前的高度，气压本身随距离变化较小（在厘米级尺度上），因此受噪声扰动较为明显。目前常见的做法是在气压计上盖一块海绵充当“硬件低通滤波器”。这类传感器可以用来做飞行器的定高。

4 空间定位传感器（GPS/北斗/RTK/UWB）

这类传感器由于其价格门槛，笔者暂时还没有接触到。GPS之类的传感器用的还是比较多的，值得注意的是定位的稳定性与连接到的卫星数量相关，一般在室外使用较多，因为在室内往往搜星的数量较少。而UWB之类的传感器则不受此限制，可以用做室内的定位。RTK的精度可以达到厘米级，UWB的精度大约在10cm左右，目前主要的问题还是比较贵，和RTK一样，精度可以通过堆基站数量的方法解决（同时意味着采样率的下降和价格的上升）。

5 光流传感器

光流传感器的原理和光电鼠标类似，不过特殊的透镜使得其可以在较远的距离上工作，其主要测量参数为传感器视界内画面的移动速度。因此可以用来做飞行器的定点，其局限主要来自光流算法遵循的亮度平滑假设，此外还有孔径问题。所以要求光流传感器指向的平面要有一定的纹理，且明暗变化尽可能缓慢。这些局限的距离描述和原因可以参考我的另一篇博文：光流法的过去，现在和发展趋势。

6 视觉传感器

视觉传感器能做的非常多，视觉传感器之所以如此出众，与其庞大的数据量有关。在机器学习的加持下，衍生出许许多多的功能，诸如人物追踪，视觉导航等，目前有一款开源的嵌入式图像处理模块OpenMV做的不错，可以通过MicroPython做一些简单的图像处理功能。而且其生态做的不错，IDE带有大量的例程可供开发。笔者也参考其开源的原理图设计过一款轻量级的图像传感器，之后如果能稳定运行，笔者会开一篇教程介绍。

7 激光雷达

激光雷达很贵，其通过高速旋转的激光测距阵列获得一个圆柱形视角内的距离信息，笔者认为，激光雷达作为飞行器的传感器是一种赤裸裸的土豪行为（无贬义），目前国外的几个团队（瑞士苏黎世大学，明尼苏达大学MARS实验室）做的很好，主要是通过SLAM（同步定位与地图构建）技术做自动导航。不得不承认这是一项很有前景的技术。

笔者能力有限，错漏之处在所难免，如有错误，可在下方评论指出，也可邮箱交流：read_air@163.com。

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