在PX4上我們為什麼扔掉了MPU6000這個IMU

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經過我們3個月的調試開發，支持PX4固件的外置IMU，終於調試通過。為啥我們費勁心機的換掉了MPU6000這個消費級的IMU！採用了ADXRS620/642/646工業級的陀螺儀和ADXL203工業級別的加速度計組成的外置(SPI介面的)IMU，替換了原本的MPU6000這個IMU。

我們知道一個IMU主要器件裡面主要是陀螺儀和加速度計！因為我們要檢測飛機的姿態，也就是XYZ軸的角度。飛行器之所以能懸停，是因為MEMS感測器可以檢測飛行器在飛行過程中的俯仰角和滾轉角變化，在檢測到角度變化後，就可以控制電機向相反的方向轉動，進而達到穩定的效果。這是一個典型的閉環控制系統。至於用MEMS感測器測量角度變化，一般要選擇組合感測器，既不能單純依賴加速度計，也不能單純依賴陀螺儀，這是因為每種感測器都有一定的局限性。

陀螺儀輸出的是角速度，要通過積分才能獲得角度，但即使在零輸入狀態時，陀螺依然是有輸出的，它的輸出是白雜訊和慢變隨機函數的疊加，受此影響，在積分的過程中，必然會引進累計誤差，積分時間越長，誤差就越大。這就需要加速度計來校正陀螺儀，因為加速度計可以利用力的分解原理，通過重力加速度在不同軸向上的分量來判斷傾角。由於沒有積分誤差，所以加速度計在相對靜止的條件下可以校正陀螺儀的誤差。但在運動狀態下，加速度計輸出的可信度就要下降，因為它測量的是重力和外力的合力。較常見的演算法就是利用互補濾波，結合加速度計和陀螺儀的輸出來算出角度變化。

上面一段話是告訴大家陀螺儀裡面很重要一條指標就是陀螺儀零飄，零飄帶來的累積誤差影響角度的檢測。一個優秀的陀螺儀零飄一定要小。

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陀螺儀的理想輸出是只響應角速度變化，但實際上受設計和工藝的限制，陀螺儀對加速度也是敏感的，這就是陀螺儀數據手冊上常見的deg/sec/g的指標。對於多軸飛行器的應用來說，這個指標尤為重要，因為飛行器中的馬達一般會帶來較強烈的振動，如果減震控制不好，就會在飛行過程中產生很大的加速度，這勢必會帶來陀螺輸出的變化，進而引起角度變化，馬達就會誤動作，最後給終端用戶的直觀感覺就是飛行器並不平穩。除此之外，在某些情況下，如果飛行器突然轉彎，可能會造成輸入轉速超過陀螺儀的測試量程，理想情況下，陀螺儀的輸出應該是飽和輸出，待轉速恢復到陀螺儀量程範圍後，陀螺儀再正確反應實時的角速度變化，但有些陀螺儀確不是這樣，一旦輸入超過量程，陀螺便會產生震蕩輸出，給出完全錯誤的角速度。還有某些情況下，飛行器會受到較大的加速度衝擊，理想情況陀螺儀要盡量抑制這種衝擊。

上面一段話告訴大家陀螺儀受加速度，受震動影響較大。一個優秀的陀螺儀可以抑制加速度和震動的衝擊，不能產生振蕩輸出。

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原版的PIXHAWK這款飛控用的MPU6000這款IMU，是消費級別的IMU，在陀螺儀上零飄和抗衝擊性能，以及工作溫度範圍，只適用於消費級別的產品。我們也認為PIXHAWK原版的飛控在硬體的配置上，緊緊只是航模級別的控制系統。這也是PIXHAWK在工業應用場合，並不能很好勝任的原因之一。

以下是MPU6000的測試數據：

這是加速度雜訊，在靜止情況下，時間軸長度是5分鐘，在這段時間內的突變雜訊還是比較大的，甚至到達了0.5。

這是陀螺儀在10分鐘內的數據記錄，我們可以看到白雜訊最大已經是0.17。

這樣的原始數據給到姿態估計演算法，實際上對姿態估計演算法的挑戰還是挺大的。

我們的IMU與Xsens MTI-710-G數據實測對比

▲加速度計動態數據▲

▲陀螺儀動態數據▲

▲加速度計靜態數據▲

▲陀螺儀靜態數據▲

IMU數據實測對比

我們可以清楚看到我們的IMU(ADXRS620/ADXL203)和Xsens MTi-710這款2萬多的IMU相比（橙色為我們的ADXRS620/ADXL203），在白雜訊的數據甚至要優於Xsens MTi-710，長時間的數據雜訊絕對控制在0.02一下。ADI公司的MEMS感測器的性能在業界也是頂尖水平，其穩定性及可靠性在均可達到工業級別的應用場景。

pixhawk這款飛控採用的感測器都是消費級別的感測器，各種零飄和白雜訊都比較大，一致性也不能保證。我們認為不是非常適合用在工業級別的無人機上，特別是一些比較大的和長航時的無人機。

筆者也跟很多行業領域的無人機研發廠商交流，他們會說我們原版的MPU6050飛行也很穩定啊，你看我們調試的參數，飛機飛得也很穩定，大疆的以前的飛機也似MPU6050啊。筆者認為在工業應用場合考驗的是各種極端場合情況的表現性能，我們的消費級別的感測器，在普通場合和工業級別的感測器性能可能差異並不大。但是一些偶發和極端場合以及長時間運行，就有明顯的差異。其實無人機工作的穩定性的主要衡量指標就是在一些偶發和極端場合。就像陀螺儀這樣的感測器，如果長時間使用，白雜訊越大，累計誤差越大，時間長了性能下降，因為我們的無人機有的時候會長時間運行。尤其在油動飛機場合，長航時和大震動，這些對於IMU都是非常巨大的挑戰。

1 此次外置IMU採用SPI高速匯流排傳輸，spi最大讀取速率5000Hz。內置CPU進行姿態計算，可提供高達1500HZ更新率，支持各種數據預處理：四元數，歐拉角，卡爾曼， mahony互補濾波，其更寬廣的工作溫度範圍（?40°C至+125℃），可應對各種極端氣候。

2 角速率感測器採用工業級的ADXRS620/622/623/624/642/646/649/652(可選)，該系列感測器其最大的特點是自帶有振動抑制（50-5khz，15grms隨機震動平均低於0.001(°/s)2/√Hz）和較高抗衝擊性能（10000G衝擊），更為寬廣的工作範圍（?40°C至+105°C），±300°/s典型測量範圍。

3 加速採用的是ADXL203//212/213/278(可選)兩軸加速度計，該系列加速度感測器可同時進行靜態和動態加速度計測量，可以定製化的加速度計帶寬範圍，用以避開因載具不同而造成的共振問題。

4 原始數據採集採用模擬器件，我們採用16位解析度、無失碼AD轉換，採樣速度可提供高達250kps，後期姿態結算提供更為平滑的原始數據，諧波失真低於-100dB，力求數據轉換更為精準。

5 我們深知電源對信號調理的重要性，對此，我們對電源進行了多次的優化處理，為求達到最優的效果，電源精準度提高達到0.0002V（0.02%），外接電源支持範圍為提供3.3-5.5V內自適應。

6 啟動時間1S，支持RS232，CAN，USB等多種用戶定製的數據讀取模式和協議，工廠校準的正交和比例因子、溫度，溫度為5點擬合，-10～60度，可按照用戶需求定製更大範圍的適配性。

7 此外，由於IMU可插拔，它比傳統飛控更加容易校準，更適合在油動飛機上的應用。

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我們想強調！無人機是一個整體系統，影響穩定性的因素有很多種，筆者以為一款穩定飛行無人機系統，一定是每個部分的相互配合。IMU，動力系統，主控系統，控制演算法的相互配合。每個部分一定要性能都非常好，才可以穩定飛行，任何一個環節穩定性不夠，都會直接拉低整個系統的性能。我們不能夠說提高了某一部分的性能，比如用了我們最新的ADI的工業級陀螺儀，就可以飛行的很穩定。我們想表述的意思是一款專業的無人機是要採用工業級別的感測器，來保證其穩定性。同時必須提高每一部分的性能，來保證整個系統的性能。

我們的IMU預售說明

此款IMU為預售發布，預售價格為：

ADXR620陀螺儀 +ADXL203加速度計：1999元

ADXR642陀螺儀+ADXL203加速度計：2999元

【此款IMU至少滿10單可出】

說明：該款IMU我們已經寫好了PX4的相關驅動，即插即用，使用非常方便。

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