3. 坐标系与姿态表示

各位同学，欢迎来到第三讲。今天咱们聊聊飞控的“感官”——传感器。说白了，无人机能飞得稳、定得住、找得到家，全靠这些传感器在背后默默干活。

我个人习惯把传感器比作人的感官：加速度计是内耳前庭，陀螺仪是半规管，磁力计是嗅觉（找北），气压计是皮肤（感受高度），GPS是眼睛看路，视觉传感器就是大脑的视觉皮层。缺了哪一个，飞控都会“晕头转向”。

好，咱们一个一个拆开看。

3.1 加速度计：感受“重力”与“运动”

加速度计测量的是比力（specific force），不是单纯的加速度。什么意思？你想想看，静止放在桌上时，它测到的是1g向上的支撑力，而不是0。这个细节我当年刚入行时踩过坑——以为静止时加速度应该是0，结果滤波全算错了。

常见的MEMS加速度计（比如MPU6000、BMI088）内部是一个微小的质量块，悬在梳齿电容中间。当有加速度时，质量块偏移，电容变化，ADC读出数字量。

在PX4中，加速度计数据会经过ekf2模块的IMU预积分处理。我建议你在调参时先看sensor_accel的原始数据，确认没有异常跳变——我曾经遇到过一颗加速度计在40°C时零偏漂了0.3m/s²，导致飞机一直往一个方向飘。

3.2 陀螺仪：测量“角速度”

陀螺仪告诉你飞机转得有多快。MEMS陀螺仪利用科里奥利效应——一个振动的质量块在旋转时会产生垂直于振动方向的位移，电容检测这个位移就能算出角速度。

嗯，这里要注意：陀螺仪测的是角速度，不是角度。要得到角度，必须积分。而积分会累积零偏误差，这就是为什么纯陀螺仪姿态会漂移。

参数	典型值（ICM-20602）	对飞控的影响
量程	±2000°/s	足够覆盖大部分飞行场景
零偏稳定性	5°/h	积分10分钟漂移不到1°
噪声密度	0.004°/s/√Hz	影响角速率控制平滑度

3.3 磁力计：电子罗盘

磁力计测量地球磁场，用来修正航向角（yaw）。原理很简单：三轴磁阻传感器感知磁场在三个方向的分量，结合加速度计的姿态信息，就能算出机头指向。

但磁力计是飞控里最“娇气”的传感器。为什么？因为电机电流、电池线、甚至PCB走线都会产生干扰磁场。我见过一个案例：某款机架把磁力计装在电源模块正下方，结果航向误差达到30°。

3.4 气压计：高度感知

气压计通过测量大气压强来推算高度。标准大气模型下，每升高8.5米，气压下降约1hPa。常用的MS5611精度能达到10cm（短时），但受温度、风速影响很大。

这里有个坑：气压计对气流非常敏感。我做过实验，在无人机正上方悬停时，螺旋桨下洗气流会导致气压计读数偏低，高度误差可达1-2米。PX4的解决方案是用EKF2_HGT_MODE融合气压计和GPS高度，同时利用加速度计进行短时修正。

3.5 GPS/RTK：绝对位置

GPS提供经纬度和海拔，精度一般在2-5米（单点定位）。RTK（实时动态差分）通过地面基准站和移动站之间的载波相位差分，能把精度推到厘米级。

RTK的原理其实不复杂：基准站知道自己的精确坐标，它测量GPS信号的载波相位，然后通过数传链路把修正量发给无人机。无人机用这个修正量消除电离层、对流层等公共误差。

我记得在农业植保项目中，用RTK做航线规划，喷洒重叠率从15%降到了3%，农药节省了20%。但RTK也有弱点——需要稳定的数传链路，一旦丢星或差分信号中断，会降级到普通GPS精度。

模式	水平精度	收敛时间	适用场景
单点GPS	2-5m	即时	普通航拍、巡检
DGPS	0.5-1m	即时	测绘、农业
RTK Float	0.2-0.5m	10-30秒	过渡状态
RTK Fixed	0.02-0.05m	30-120秒	精密定位、自动降落

3.6 视觉传感器：让无人机“看见”

视觉传感器（单目/双目相机、光流传感器）通过图像特征匹配来估计运动。光流传感器（如PX4FLOW）利用底部摄像头跟踪地面纹理，计算水平速度。双目视觉则通过左右眼视差计算深度，实现三维定位。

视觉定位最大的挑战是光照和纹理。我在室内飞行测试时，遇到过纯白地板导致光流失效的情况——没有特征点可跟踪。解决办法是贴一些随机图案的地板贴纸，或者融合IMU数据做视觉惯性里程计（VIO）。

知识体系总览

下面这张图把六种传感器在PX4定位系统中的角色串起来了。你可以看到，所有传感器数据最终都汇入EKF2状态估计器，融合输出位置、速度和姿态。