陀螺仪与加速度传感器科普知识

　　加速度传感器测的是什么？

　　很多时候大家都被它的名字给误导了，准确的来说它测的不是加速度，至少对于它检测的是它受到的惯性力(包括重力！重力也是惯性力)。那有人要问了F=ma惯性力不就是加速度么？差矣加速度传感器实际上是用MEMS技术检测惯性力造成的微小形变。注意，检测的是微小形变，所以，你把加速度传感器，水平静止放在桌子上，它的Z轴输出的是1g的加速度，因为它Z轴方向被重力向下拉出了一个形变，可是你绝对不会认为它在以1g的加速度往下落吧，你如果让它做自由落体，它的Z轴输出应该是0。给个形象的说法，可以把它看成是一块弹弹胶，它检测的就是自己在三个方向被外力作用而造成的形变。从刚才的分析可以发现重力这个东西能隔空打牛，在不产生加速度的情况下对加速度传感器造成形变，在产生加速度的时候不造成形变，而其他力都做不到。可惜的是，加速度传感器不会区分重力加速度与外力加速度。

　　所以，当系统在三维空间做变速运动时，它的输出就不正确了，或者说，它的输出不能表明物体的姿态和运动状态。举个例子，当一个物体在空间做自由落体时，在X轴受到一个外力作用，产生g的加速度，这时候x y z轴的输出分别是g，0，0如果这个物体被x轴朝下静止放在水平面上 它x y z轴的输出也分别是g，0，0所以说，只靠加速度传感器来估计自己的姿态危险而不可取的。

　　加速度传感器有什么用？

　　加速度计，可以测量加速度，包括重力加速度，于是在静止或匀速运动（匀速直线运动）的时候,加速度计仅仅测量的是重力加速度，而重力加速度与刚才所说的R坐标系（绝对坐标系）是固连的，通过这种关系，可以得到加速度计所在平面与地的角度关系也就是横滚角和俯仰角计算公示如下

　　俯仰角

　　横滚角

　　陀螺仪测的是什么？

　　陀螺仪可以测量角速度，具有高动态特性，但是它是一个间接测量器件，它测量的是角度的导数，角速度，显然我们要将角速度对时间积分才能得到角度看到积分。马上就能发现一个致命的问题积分误差积分误差的来源，主要有两个，一个是积分时间积分时间Dt越小，输出角度越准一个是器件本身的误差假设陀螺仪固定不动，理想角速度值是0dps(degree per second)，但是有一个偏置0.1dps加在上面，于是测量出来是0.1dps，积分一秒之后，得到的角度是0.1度，1分钟之后是6度，还能忍受,一小时之后是360度,转了一圈所以说陀螺仪在短时间内有很大的参考价值。

　　陀螺仪另外一个问题是它的测量基准是自身，并没有系统外的绝对参照物重力轴是个绝好的参照物，因此需要陀螺仪和加速度传感器的配合使用，如果要测偏航角YAW还需要电子罗盘感知地磁方向 给出水平方向的绝对参考。

　　陀螺仪和加速度传感器的融合

　　除了给出绝对参考系，陀螺仪和加速度传感器相互融合使用的最重要的原因是：

综合考虑，加速度计是极易受外部干扰的传感器，但是测量值随时间的变化相对较小。陀螺仪可以积分得到角度关系，动态性能好，受外部干扰小，但测量值随时间变化比较大。可以看出，它们优缺点互补，结合起来才能有好的效果。

　　用通俗点的话来说，就是无论工作多久，加速度传感器如果没收到外部干扰它测的就一定是准的！陀螺仪虽不会受到外部干扰，可是时间长了，由于积分误差累计 它的值就全错了！

　　所以两个数据融合的方法就是设计算法在短时间尺度内增加陀螺仪的权值，在更长时间尺度内增加加速度权值，这样系统输出角度就更真实了。

　　再通俗点说就是，隔一段时间，用加速度传感器的值修正一下陀螺仪的积分误差，然后在隔的这段时间内，用陀螺仪本身的角度积分。

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