BetaFlight代码解析（7）— 传感器系统

BetaFlight传感器系统解析

最新推荐文章于 2025-11-24 17:52:36 发布

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#无人机 #飞控 #系统架构 #BetaFlight #架构

介绍

本页面介绍了Betaflight固件中的传感器系统。传感器系统负责收集和处理来自各种硬件传感器的数据，从而向飞行控制器提供有关其姿态、运动、位置和电源状态的信息。传感器数据是飞行稳定、导航功能和状态报告的基础。

Betaflight的传感器系统包括：

陀螺仪系统——测量角速度（旋转速率）
加速度计系统- 测量线性加速度
磁力计（罗盘）系统- 提供航向信息
气压计系统——测量大气压力以估算海拔高度
GPS系统——提供位置、速度和海拔信息
电池监控系统- 跟踪电压和电流

有关传感器在飞行控制算法中的使用详情，请参阅飞行控制系统。

传感器系统架构

Betaflight中的每个传感器子系统都遵循一个共同的模式：

初始化- 在启动期间调用，用于配置传感器硬件
更新- 定期调用以从传感器读取新数据
处理——数据过滤、校准和处理
集成——飞行控制系统如何使用处理后的数据

传感器数据流管道

传感器初始化

Betaflight 使用级联初始化系统来初始化传感器：

初始化过程中的关键函数：

sensorsPreInit()- 执行初步设置，例如引脚配置
sensorsAutodetect()- 检测并初始化可用传感器
各个传感器初始化函数（例如gyroInit()，，accInit()等等）

检测到的传感器信息存储在一个全局数组中detectedSensors[]，固件会引用该数组来检查传感器是否可用。

陀螺仪系统

陀螺仪是 Betaflight 中最关键的传感器，它提供角速度测量，这对飞行稳定至关重要。

陀螺仪处理流程

陀螺仪主要部件

数据结构：
- gyro_t gyro- 主陀螺仪数据结构
- gyroSensor_t gyroSensor1- 主陀螺仪传感器
- gyroSensor_t gyroSensor2- 辅助陀螺仪传感器（当使用多个陀螺仪时）
主要功能：
- gyroInit()- 初始化陀螺仪
- gyroUpdate()- 读取传感器的原始数据
- gyroFiltering()- 对原始陀螺仪数据应用过滤器
- gyroStartCalibration()- 启动陀螺仪校准过程
特色功能：
- 溢出检测- 检测可能导致问题的极端旋转速度
- 偏航旋转恢复- 检测并恢复极端偏航旋转
- 动态滤波- 根据飞行条件调整滤波参数
配置参数（单位gyroConfig_t：）：
- 滤波器类型和频率
- 溢出检测设置
- 校准设置
- 硬件选择

加速度计系统

加速度计测量线性加速度，用于姿态估计（与陀螺仪数据一起）。

加速度计处理流程

加速度计主要组件

数据结构：
- acc_t acc- 主加速度计数据结构
主要功能：
- accInit()- 初始化加速度计
- accUpdate()- 读取并处理加速度计数据
- accStartCalibration()- 开始加速度计校准
特色功能：
- 飞行中校准
- 加加速度计算（加速度变化率）
配置参数（单位accelerometerConfig_t：）：
- 筛选设置
- 硬件选择
- 校准值

磁力计（罗盘）系统

磁力计测量地球磁场，以提供航向信息。

磁力计处理

磁力计主要部件

数据结构：
- mag_t mag- 主磁力计数据结构
- magDev_t magDev- 磁力计设备接口
主要功能：
- compassInit()- 初始化磁力计
- compassUpdate()- 更新磁力计读数
- compassStartCalibration()- 开始指南针校准
特色功能：
- 自动偏差估计
- 支持多种类型的磁力计
- 硬铁和软铁补偿

GPS系统

GPS系统提供位置、速度和高度信息，用于导航功能。

GPS系统架构

GPS 关键组件

数据结构：
- gpsData_t gpsData- GPS 状态和配置
- gpsSolutionData_t gpsSol- 已处理的 GPS 定位数据
主要功能：
- gpsInit()- 初始化 GPS 系统
- gpsUpdate()- 更新 GPS 读数
- gpsNewFrame()- 处理传入的 GPS 数据帧
特色功能：
- 支持 U-blox GPS 配置
- 支持多种协议（NMEA、UBX）
- 家庭位置跟踪
- 计算到家的距离和方向
GPS 服务提供商：
- GPS_NMEA- 标准NMEA协议
- GPS_UBLOXU-blox专有协议
- GPS_MSP- MSP协议（用于外部GPS）
- GPS_VIRTUAL- 虚拟 GPS（用于模拟器）

电池监控系统

电池监测系统跟踪电池电压和电流，以评估电池状态。

电池监控架构

关键电池监控组件

数据结构：
- voltageMeter_t voltageMeter- 电压表数据
- currentMeter_t currentMeter- 当前仪表数据
主要功能：
- batteryInit()- 初始化电池监控系统
- batteryUpdateVoltage()- 更新电压读数
- batteryUpdateCurrentMeter()- 更新当前读数
- batteryUpdateStates()- 根据电压和功耗更新电池状态
- batteryUpdateLVC()- 更新低电压截止值
电池状态：
- BATTERY_OK- 正常操作
- BATTERY_WARNING- 电量不足
- BATTERY_CRITICAL- 电池电量过低
- BATTERY_NOT_PRESENT电池未连接
特征：
- 细胞计数自动检测
- 毫安时消耗跟踪
- 低电压警告和紧急警报
- 低电压切断功能

过滤基础设施

Betaflight 提供了一个可供多个传感器系统使用的通用滤波基础设施。

筛选类型

每种过滤器类型都有三种主要操作：

初始化- 使用初始参数设置过滤器（例如，pt1FilterInit()）
参数更新- 更新过滤器参数（例如，pt1FilterUpdateCutoff()）
应用程序- 将筛选器应用于新数据（例如，pt1FilterApply()）

过滤器类型特征

筛选类型	命令	功能	用例
第一部分	第一	`pt1FilterApply()`	简单的低通滤波
第二部分	第二	`pt2FilterApply()`	更陡峭的低通滤波
PT3	第三	`pt3FilterApply()`	高阶低通滤波
二四边形	第二	`biquadFilterApply()`	陷波滤波器、低通滤波器、带通滤波器

传感器更新速率和优先级

传感器的更新频率根据其重要性和典型硬件性能而有所不同：

传感器	典型更新率	任务优先级	主要更新功能
陀螺仪	8 kHz - 32 kHz	即时的	`gyroUpdate()`
加速度计	1千赫兹	中等的	`accUpdate()`
磁力计	40赫兹 - 100赫兹	低的	`compassUpdate()`
晴雨表	40赫兹 - 50赫兹	低的	`baroUpdate()`
全球定位系统	5赫兹 - 10赫兹	低的	`gpsUpdate()`
电池	50赫兹	低的	`batteryUpdateVoltage()`，`batteryUpdateCurrentMeter()`

任务调度器确保优先级较高的任务（如陀螺仪采样）优先获得 CPU 时间，这对于飞行稳定性至关重要。

传感器校准

大多数传感器都需要校准，以消除制造差异和安装偏差：

陀螺仪校准- 在启动时执行，以确定零点偏移量
- gyroStartCalibration()- 启动校准过程
- 零值是通过对飞机静止时多次读数取平均值计算得出的。
加速度计校准- 确定每个轴的偏移量
- accStartCalibration()- 启动校准过程
- 校准过程中飞机需要保持水平。
- 飞行中也可进行校准，以便在飞行过程中进行微调。
磁力计校准- 补偿硬铁/软铁的影响
- compassStartCalibration()- 启动校准过程
- 需要将飞机旋转到各个方向
- 利用偏差估计来提高飞行过程中的精度