14、传感器校准实验：多旋翼飞行器的精准之钥

传感器校准实验：多旋翼飞行器的精准之钥

1. 传感器校准概述

多旋翼飞行器上安装了众多传感器，如三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计、超声波测距仪、二维激光测距仪、全球定位系统（GPS）接收器和相机等。这些传感器基于微机电系统（MEMS）技术，虽能让多旋翼飞行器获取自身位置和姿态，但测量结果并不准确。例如，电动推进系统会影响磁力计的测量，进而难以获得准确的方向，更无法实现可靠的飞行控制。因此，对这些传感器进行校准十分必要。本文将详细介绍一些传感器的校准原理和方法，并通过三个循序渐进的实验，帮助大家逐步掌握相关知识。

2. 传感器基础原理

2.1 三轴加速度计

2.1.1 基本原理

三轴加速度计是一种惯性传感器，用于测量比力，即单位质量的非重力或消除重力后的总加速度。当加速度计静止时，仍能感知重力加速度，但总加速度为零；在自由落体时，总加速度等于重力加速度，而三轴加速度计输出为零。利用这一原理可以测量角度，其弹簧压缩量由加速度计与地面的夹角决定，通过测量弹簧压缩长度可得到比力。在无外力作用下，可准确测量俯仰角和横滚角，且无累积误差。

三轴加速度计固定在多旋翼飞行器上，并与机体坐标系对齐。通过加速度计测量值可获取低频俯仰角和横滚角，公式如下：
[
\theta_m = \arcsin \left(\frac{a_{xb}^m}{g}\right)
]
[
\varphi_m = -\arcsin \left(\frac{a_{yb}^m}{g \cos \theta_m}\right)
]
其中，(\mathbf{b} {a}^m =