概述

• 建议先了解空间位姿计算基本概念，了解陀螺仪传感器各组件功能和原理
• 陀螺仪有三轴，六轴，九轴，之间的区别就是这个器件是否有三轴的加速度计，三轴的速度计和三轴的磁力计
• 而器件返回的原始数据（加速度，速度，磁场强度）均不是我们想要的数据
• 在使用过程中，我们更关心的是物体在空间的位姿，及与XYZ三个轴之间的角度（俯仰角，横滚角和航向角，即欧拉角或四元数），因此需要对原始数据进行处理
• 从理论上，仅需其中任何一种传感器（三轴的加速度计，三轴的速度计和三轴的磁力计），即可计算得知欧拉角
• MPU6050芯片上集成了数据融合模块DMP可以使用，直接返回欧拉角或四元数，这里避开DMP，研究数据融合原理，研究误差产生原因
• 在全局定位的应用中，我们更关心平台的航向角

加速度计获取角度

• 从原理上得知加速度计可以感知该轴向上的加速度大小，因此结合重力或两个轴即可得知横滚角和俯仰角的大小
• 以俯仰角举例如图

X轴加速度gX，Z轴加速度gZ，与重力加速度存在如图几何关系
因此俯仰角(载体坐标系X轴和导航坐标系X轴夹角)为

横滚角同理
然而航向角无法使用此方法，应为当航向转动时，

为定值

• 优点：
  • 在稳定的平台上测量角度准确且稳定，可以作为绝对数据而参考
• 局限性：
  • 使用加速度计测量角度时，要求平台绝对静止或匀速运动，即除重力外无任何加速度影响
  • 而绝大多数的使用场合中，物体要经历加速减速等抖动过程，导致不能始终获得准确位姿
  • Z轴航向角无法使用

速度计获取角度

• 从原理上得知速度计可以感知各个轴的速度变化，由

即可计算各个轴转过的角度（俯仰，横滚，航向都可计算）

• 优点：
  • 抗抖动能力强，即便物体在加速减速过程中也可感知角度变化
• 局限性：
  • 存在累积误差，受噪声影响大，禁不起时间的考验
  • 当非均角速度运动时误差很大
  • 没有绝对角度供参考，相当于传感器在盲算

磁力计获取角度

• 从原理上得知测力计可以感知各个轴向的磁场强度
• 计算方法同加速度计测量角度，只不过将重力换成北极的磁场强度
• 由于北极的磁场强度不确定，因此建议采用将两轴磁场强度结合后计算的角度
• 计算所得的角度是以北极方向作为参考的相对角度
• 理论上可计算各个轴转过的角度（俯仰，横滚，航向都可计算），但计算航向角时效果更加
• 可以理解为一个电子罗盘作用
• 优点：
  • 在无磁场干扰的环境中测量角度准确且稳定，可以作为绝对数据而参考
• 局限性：
  • 受磁场影响大，当周围环境存在复杂的磁场（电机，强电流变化）时，失去准确性
  • 因为在俯仰，横滚中，小角度的磁场变化不明显，更多的用在航向计算中

芯片范例

MPU6050

六轴陀螺仪传感器，无磁力计

MPU9250

九轴陀螺仪模块