NXP传感器融合笔记04(IMU,AHRS 加速度计,陀螺仪,地磁计概念)

NXP传感器融合笔记04(IMU,AHRS 加速度计,陀螺仪,地磁计概念)

这一节介绍惯性传感器,磁力计和气压计,已经融合算法的意义和目的已经主要特点。主要根据视频教程第5讲。放心,没有深奥的数学知识。


加速度计,陀螺仪,地磁计

加速度计

加速度是常用的惯性传感器,它测量线性加速度+加速度。即所谓的比力。

加速计测量三轴所感受到的加速度,所以当加速度计水平静止放置在地球上时候,读数为0,0,1G. 当加速度计收到X轴正方向1G 加速的时候,读数为1,0,1G

这里有一点小tricky. 重力是垂直向下的,但是正面水平放置,度数是0.0.1G ,为啥不是0.0,-1G. 这是因为 加速度计感受到的是外面对他的作用力(把加速度计想弹簧模型)。而不是立场。

加速度计模型

陀螺仪

陀螺仪测量三轴角速度,说白了就是测量绕每个轴的旋转,也叫角速度传感器,也是一种惯性器件。

加速度计+陀螺仪就叫IMU(惯性测量单元),所谓的6轴传感器

地磁场传感器

让我们再把地磁计加上,他测量三个轴的磁场强度(地磁场+附近的其他干扰磁场)

所谓9轴传感器,或者叫MARG(mangetic, angular rate & gravity), 如果再配上一个单片机就有处理能力,配合合适的算法就可以叫做一个AHRS(attitude & heading reference system)

三轴磁传感器感应周围的磁场:一个理想的磁传感器可以描述为下面数学模型:

Mag = Mag_{r}^{} + Mag_{b}^{} + Mag_{n}^{}

  • Mag_{r}^{} 地磁场和周围环境的磁场的总和
  • Mag_{b}^{} 传感器零偏
  • Mag_{n}^{} 传感器噪声


MPU6050 就是一个最典型的的6轴传感器,内含3个互相垂直的加速度计和三轴互相垂直的陀螺仪。坐标表示如下。

地球磁场

地球磁场的几何分布是非常不规则的,总体来说磁力线游地磁南极出发,回归到地磁北极:

注意磁力线的方向: 由地磁南极出发到地磁北极

对于北半球来说,地磁场方向斜向下,对于南半球,地磁场方向斜向上。

一个典型的北半球地磁场

Intensity 那条线就是3轴磁传感器的读值,是一个三维空间向量,Intensity的模就是磁场强度 = \sqrt{Mx^{2} + My^{2}+ Mz^{2}}

  1. Declination(磁偏角):地磁场和地理北向的夹角。
  2. Inclination(磁倾角):地磁场与水平方向的夹角。
  3. 单位换算: 常用单位: 微特斯拉(uT), 毫高斯(mGauss)
  4. 1 uT = 10 mGauss ,地磁场的范围:250 - 650 mGauss 或 25 - 64 uT

在NED坐标系下,

惯性系地磁场矢量计算公式

其中

  • \alpha_{n E} 为磁偏角
  • \gamma_{n E} 为磁倾角
  • B_{E} 为地磁场大小

地磁场倾角速查:

Magnetic Declination on Mapwww.magnetic-declination.com图标

某地详细地磁参数查询(NOAA):

NCEI Geomagnetic Calculatorswww.ngdc.noaa.gov

例,通过NOAA网站查的北京的地磁场详细参数为:

可见北京地区总磁场强度为~54uT, 垂直分量:47uT, 水平分量:28uT, 倾角59°,偏角:-7°

参考

  1. GNSS与惯性及多传感器组合导航系统原理-第二版
  2. hal.inria.fr/hal-016501
编辑于 05-18

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