2. 传感器基础
飞控系统要完成姿态解算、位置估计、高度保持与航迹控制，前提是获得可靠、连续、可解释的机载状态信息。这些信息来自一组原理不同、输出形式不同、误差特性也不同的传感器。理解它们的物理机理、信号类型与性能指标，是后续接口设计与冗余配置的基础。
一、常见飞控传感器及其原理
IMU（惯性测量单元）通常由三轴陀螺仪与三轴加速度计组成，部分型号集成三轴磁力计，称为九轴 IMU。陀螺仪测量角速度，常见 MEMS 陀螺基于科里奥利力原理：质量块在驱动方向振动时，若存在绕敏感轴的角速度，就会在正交方向产生科里奥利位移，通过电容变化转换为角速度信号。加速度计则通过检测质量块在加速度作用下的位移或电容差，输出比力。IMU 输出的是高频、短时精度高但存在零偏和随机游走的角速度与加速度数据，是姿态解算的核心。
GPS 通过接收多颗卫星的伪距与载波相位，解算接收机的位置、速度和时间。飞控中常用 GPS 模块输出经纬度、海拔、地速、航向与定位质量因子。GPS 的优点是长期位置不漂移，缺点是更新率低、易受遮挡与多径影响，且高度精度通常弱于水平位置精度。
气压计基于大气压随高度升高而降低的物理规律，通过压阻或电容式压力敏感元件测量静压，再结合标准大气模型换算成气压高度。气压计短时高度分辨率高，但受温度、气流、天气与机壳内压力变化影响明显，容易产生漂移。
磁力计测量地磁场矢量，用于提供航向参考。常见技术包括各向异性磁阻、巨磁阻与霍尔效应。磁力计输出三轴磁场强度，通过椭圆拟合与倾斜补偿后可解算磁航向。其弱点是易受电机电流、电源线与铁磁材料干扰，安装位置和校准质量直接影响航向可信度。
空速管由总压管与静压孔组成，利用伯努利原理，总压与静压之差即动压，动压与空速平方成正比。空速管输出差压，经换算得到指示空速。它对于固定翼与复合翼飞行器的失速保护、巡航控制至关重要，但易受结冰、堵塞与安装角度误差影响。
二、输出信号类型与接口匹配
传感器输出信号决定了飞控接口的电气形式与采样方式。模拟电压输出常见于老式空速传感器与部分压力传感器，需要 ADC 采样，易受电源波动与地线噪声影响。I²C 与 SPI 是 IMU、气压计、磁力计最常见的数字接口，前者布线简单但速率有限，后者速率高但需要片选与更多引脚。UART 与 CAN 常见于 GPS、空速模块与智能传感器，CAN 具备差分抗扰与多节点能力，适合冗余总线。PWM 与脉冲输出多用于转速、流量类传感器。数字总线如 RS-422、以太网则用于高可靠或高带宽场景。
接口匹配时需关注三点：一是电平兼容，3.3 V 与 5 V 不可直接混接；二是时序与速率，I²C 上拉电阻与总线电容会影响上升沿；三是供电与地回路，模拟传感器尤其要避免与电机大电流共地。
三、性能指标与选型对照
| 传感器 | 核心输出 | 典型更新率 | 关键指标 | 主要误差来源 |
|---|---|---|---|---|
| IMU | 角速度、比力 | 1–8 kHz | 零偏稳定性、噪声密度、量程 | 温漂、振动耦合、标度因数误差 |
| GPS | 位置、速度、时间 | 5–20 Hz | 水平精度、高度精度、TTFF | 多径、遮挡、电离层延迟 |
| 气压计 | 气压高度 | 25–100 Hz | 分辨率、绝对精度、温漂 | 气流、天气、机壳压力 |
| 磁力计 | 三轴磁场、航向 | 10–100 Hz | 噪声、线性度、正交误差 | 电机磁场、铁磁干扰、硬磁偏置 |
| 空速管 | 差压、空速 | 10–50 Hz | 量程、分辨率、零点漂移 | 堵塞、结冰、安装角误差 |
四、典型场景与常见误区
以多旋翼定点悬停为例：IMU 以高频提供姿态角速度与加速度，气压计提供高度阻尼，GPS 提供水平位置与速度修正，磁力计提供航向约束。四者通过互补滤波或卡尔曼滤波融合。若磁力计受电机干扰，航向会缓慢旋转；若气压计受桨叶气流影响，高度会出现周期性波动；若 GPS 短时丢失，飞控需依靠 IMU 与气压计维持短时稳定。
典型 IMU 数据帧（示意）：
timestamp_us, gyro_x, gyro_y, gyro_z, acc_x, acc_y, acc_z, temp
1024001, 0.012, -0.004, 0.001, 0.03, -0.01, 9.81, 42.5
典型 GPS 语句（NMEA）：
$GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,46.9,M,,*47
掌握上述原理、信号类型与指标后，才能进一步讨论接口电气设计、采样同步与冗余仲裁。传感器不是孤立器件，而是飞控感知链条中的第一环，其输出质量直接决定后续融合与控制的上限。